Весь Рунет просто напичкан однотипными статьями-мифами (рерайтами, копирайтами или просто приватизайтерами) в которых даются значения, формулы и умозаключения относительно двигателей Стирлинга и самого цикла Стирлинга или цикла Крно. Хочу сказать, что не стоит воспринимать на веру всё что пишут. Ошибка многих «технарей — самодельщиков» в том, что им лень. Да, да, им лень взять и проверить свои знания математики и физики за 3-9 классы, и тем самым убедиться в истине приводимых рассуждений (смотрите карту для начинающих). Приведу некоторые распространённые «враки» и недоговорки на форумах, блогах и уважаемых сайтах о Стирлинг-машинах:
1. Теоретический КПД двигателя Стирлинга может достигать 70-75%.
Это не так! Теоретический КПД двигателя Стирлинга (цикла Карно) может достигать 100%! Проверьте сами по формуле или по калькулятору. Возьмите температуру холодильника ноль градусов Кельвина (или -273.15 °С) и сами всё увидите.
2. Внимание! Изобретён вечный двигатель! Взять тепловой насос с КПД 400% (а есть и с КПД 600%!) и Стирлинг с КПД 35% (а есть и 49%!) и завязать их друг на друга. Перемножая КПД мы получаем суммарный 140% (0,35*4=1,4). И вот он вечный двигатель! Ну или халявная энергия!
Вечный двигатель с ограниченной гарантиейАга, и сделать это можно из пивных банок! Изобретённому вечному двигателю уже мульон лет. Мы всё время хотим обмануть законы физики. Мы всё время не хотим читать книги и пользоваться калькуляторами. Ответьте на вопрос: почему тот кто предлагает весь этот бред сам не возьмёт и не сделает этот халявный генератор? Почему он предлагает это сенсационное открытие вам?
Итак теоретический коэффициент преобразования теплового насоса (назовём его условно КПД, именно так его преподносят нам в литературе) считается по формуле
КПД=T2 /(T1 – T2)
где Т2 — температура отдаваемая тепловому насосу (в нашем варианте это, например, грунт), а Т1 — температура, которую отдаёт насос (например для отопления помещения). Всё в градусах Кельвина.
Теперь наши расчётные идеальные данные. Температуру грунта Т2 возьмём приблизительно 6°С, т.е. 6+273=279°К. Температура Т1=60°С или 273+60=333°К. Наш КПД=279/54=5,1666 или более 500%. Здорово, не правда ли? Проверьте на калькуляторе КПД теплового насоса.
Считаем КПД идеального двигателя Стирлинга для этих температур. КПД= (333-279)/333=0,16216 или 16,216%. В реальной жизни КПД будут конечно же ещё меньше. Если вы умножите 5,1666 и 0,16216 , то получите значение меньше 1 , а именно 0,8378. Что это значит? Да то, что халявы не бывает! При любых значениях нагревателя и холодильника суммарный КПД двигателя и теплового насоса будет ниже 100%.
А как же КПД цикла Стирлинга в 35% и даже выше? Это значения КПД приведены для большой разницы температур. При такой большой разнице т.н. КПД теплового насоса будет значительно ниже! И в итоге суммарный КПД снова будет ниже 1. Всё? Закрыли эту тему?
3. Увеличивая температуру холодильника на 1 градус вы уменьшаете КПД на 0,5% .
Хочется оставить это без комментариев, но… Снова берём формулу или калькулятор и смотрим и возмущаемся этому утверждению. Повторюсь, зависимость КПД цикла Стирлинга нелинейна! Сразу вспоминается байка о сломанных часах, которые два раза в день показывали правильное время.
4. Эффективность двигателя Стирлинга растёт с увеличением температуры.
Здесь нам не договаривают. Если речь идёт о росте температуры нагревателя, то соглашусь, но тут же нужно сказать, что эффективность растёт и с понижением температуры холодильника. И даже намного быстрее!
5. Во всём виноваты спецслужбы! Они-то и не дают Российским изобретателям делать и внедрять Стирлинги. Ну конечно же спецслужбы спонсируются нефтянниками и газовщиками.
Ну как вы себе это представляете? А кто тогда мешает Китайцам, Немцам, Шведам и Американцам? Может просто не родился тот Кулибин, который сделает действительно безобразно простую модель с высоким КПД, удельной мощностью, высокой надёжностью и дешёвой в производстве? Ведь те проблемы, которые описаны в книжках, для существующих схем двигателей не решены или решаются ой как дорого и неэффективно. Это только на первый взгляд двигатель простой. Простой, пока не начнёшь его делать. Ищите виноватых в себе. Пусть хоть в этом наши энергетики не будут виноваты.
domolov.ru
Двигатели стирлинга
Перечислим основные особенности работы двигателя:
1. В двигателе Стирлинга происходит преобразование тепловой энергии в механическую посредством сжатия постоянного количества рабочего тела при низкой температуре и последующего (после периода нагрева) его расширения при высокой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию.
2. В принципе при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.
3. Необходимое изменение температуры рабочего тела обеспечивается наличием разделенных холодной и горячей полостей, по соединительным каналам между которыми под действием поршней перемещается рабочее тело.
4. Изменения объема в этих двух полостях должны не совпадать по фазе, а получающиеся в результате циклические изменения суммарного объема в свою очередь не должны совпадать по фазе с циклическим изменением давления. Это — условие получения механической энергии на валу двигателя.
Таким образом, принцип Стирлинга — это попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном пространстве рабочего тела. Чтобы наглядно представить, как этот простой принцип реализуется на практике, рассмотрим сначала элементарную систему поршень — цилиндр, в которой рабочее тело изолировано от внешней среды жестким поршнем, механически соединенным с кривошипом (рис. 1.4).
По мере подвода тепла к головке цилиндра давление рабочего тела возрастает, и поршень начинает перемещаться вправо под действием расширяющегося рабочего тела (рис. 1.5).
При расширении рабочего тела давление в цилиндре падает. Для компенсации охлаждения рабочего тела при его расширении подвод тепла продолжается, благодаря чему процесс
|
Рис. 1.4 Реализация принципа Стир Рис. 1.5. Начальное перемещение Линга в системе рабочий поршень — поршня. Цилиндр. |
Протекает при постоянной температуре. Когда поршень достигает своего крайнего правого положения (нижней мертвой точки), подвод тепла прекращается и начинается охлаждение головки цилиндра с помощью какого-либо внешнего источника (рис. 1.6).
В процессе охлаждения давление продолжает падать. Затем поршень начинает перемещаться влево, сжимая газ. Процесс
Тепло ►
(d) - (а)
| Рис. 1.6. Поршень в нижней мертвой точке. |
| Рис. 1.7. Фаза сжатия. |
Рис. 1.8. Завершение рабочего цикла.
Охлаждения при этом продолжается, чтобы компенсировать нагрев при сжатии, так что и сжатие протекает при постоянной температуре (рис. 1.7).
Когда поршень достигает своего крайнего левого положения (верхней мертвой точки) охлаждающее устройство заменяется источником тепла (рис. 1.8).
Эту последовательность можно изобразить на диаграммах термодинамического состояния (рис. 1.9).
Поскольку процесс расширения с нагревом протекает при более высоком среднем давлении, чем процесс сжатия с охлаждением, двигатель совершает полезную работу Однако такой метод подвода и отвода тепла громоздок и непрактичен, так как теплоемкость материалов, из которых изготавливается головка цилиндра, слишком велика для реализации требуемыхбыстрых изменений температуры. Тем не менее основная концепция попеременного нагрева и охлаждения изолированного рабочего тела при различных давлениях для получения механической работы изложена здесь вполне точно.
|
|
|
Рис. 1.10. Работа вытеснительного поршня. А— первоначальная схема; б — схема Стирлинга; 1—вытесннтельный поршень; 2 — рабочий поршень. |
| Рис. 1.9. Диаграммы термодинамического состояния: давление — объем (а), температура — энтропия (б). |
Объем А
Возникает проблема воплощения этой концепции на практике. Очевидным решением было бы поддерживать на одном торце цилиндра постоянную высокую температуру, а на другом — постоянную низкую. Однако в этом случае невозможно было бы использовать систему поршень — цилиндр, упомянутую при описании рабочего цикла, поскольку рабочее тело одновременно и получало, и отдавало бы тепло в сменяющих друг друга фазах процесса. Роберт Стерлинг преодолел эту трудность, введя вытесннтельный поршень, или вытеснитель, расположенный последовательно с первоначальным поршнем, получившим
Теперь название «рабочий поршень». Вытесннтельный поршень предназначен для перемещения рабочего тела между локально расположенными горячей и холодной полостями (рис. 1.10).
Вытесннтельный поршень свободно размещен в цилиндре, так что рабочее тело может обтекать его со всех сторон, как показано на рис. 1.11, где действие вытеснительного поршня иллюстрируется безотносительно к рабочему поршню.
| 1 | I | I | ||
| 1л | •J | ► -4 | W | 4 |
| Рис. 1.11. Действие вытеснителя. |
При движении вытеснителя вверх, к горячему концу цилиндра, нагретое рабочее тело поступает в холодную полость через кольцевой зазор у боковых стенок вытеснительногопоршня. При этом давление рабочего тела вследствие охлаждения понижается. В цилиндре отсутствуют клапаны, поэтому, если не принимать во внимание небольшого, практически пре - небрежимого падения давления в кольцевом зазоре вокруг вы - теснительного поршня, давление во всех зонах цилиндра будет одинаковым. При движении к нижней мертвой точке вытесни - тельный поршень заставляет рабочее тело перемещаться через холодную полость и кольцевой зазор вокруг боковой поверхности поршня в горячую полость для подогрева. Поскольку при
|
|
Движении вытеснительного поршня давление у обоих его тор - цев всегда одинаково, на это движение работа не затрачивается.
Движение вытеснительного и рабочего поршней не совпадает по фазе. Объяснение этого с позиций термодинамики будет дано ниже. Однако уже сейчас нетрудно понять, что если все рабочее тело в какой-то фазе цикла должно быть в горячей полости, а в другой фазе цикла — в холодной, то оба поршня не могут находиться в одной фазе. Чтобы получить такое не совпадающее по фазе движение поршней, необходим. механизм привода, отличный от общепринятого. Пример механизма, использованного самим Стирлингом, показан на рис. 1.12.
Необходим еще один элемент, чтобы получить двигатель Стирлинга в том виде, в каком он известен сейчас. Это регенератор, или «экономайзер», как его первоначально назвал Стирлинг. Когда вытеснительный поршень перемещает расширяющееся рабочее тело в холодную полость (рис. 1.11), оно должно пройти через горячую полость где из-за продолжающегося нагрева получает избыточное тепло, которое необходимо отвести в холодильник. После того как рабочее тело сжато, оно перемещается в горячую полость через холодную, дополнительно охлаждаясь. Следовательно, рабочее тело поступает в горячую полость более холодным, чем требуется, а в холодную — более горячим.
Если в кольцевом зазоре вокруг вытеснительного поршня, по которому перетекает рабочее тело, установить сетку из стальной проволоки, то рабочее тело, проходя через этот зазор из горячей полости в холодную, будет иметь более высокую температуру, чем сетка, и, следовательно, будет отдавать тепло этой сетке. В этом случае сетка действует как предварительный холодильник, снижая термическую нагрузку основного холодильника. После процесса сжатия рабочее тело будет перетекать в горячую полость, нагреваясь при прохождении через сетку, т. е. будет вновь получать тепло, ранее отданное сетке. Теперь регенератор действует как предварительный нагреватель, уменьшая требуемое количество подводимой энергии. Описанная система в целом показана на рис. 1.13.
Хотя схема, показанная на рис. 1.13, находит практическое применение во многих двигателях, проблема быстрой передачи энергии остается нерешенной, поскольку необходимо еще преодолеть тепловую инерцию стенок цилиндра. При проведении работ по усовершенствованию двигателя Стирлинга фирмой «Филипс» были применены трубчатые теплообменники для нагревателя и холодильника, и, хотя при этом потребовалось уплотнить вытесннтельный поршень, основная цель была достигнута. Полный рабочий цикл теперь можно описать с помощью рис. 1.14. На рис. 1.14 легко различаются составляющие процессы рабочего цикла, изображенного на диаграмме давление — объем (рис. 1.9, а).
|
|
| . регенерашо'р |
| Рис. 1.13. Схема двигателя Стирлинга, пригодная для практического применения. |
На рис. 1 14, а рабочий поршень находится в крайнем нижнем положении, вытеснитель — в крайнем верхнем положении, и все рабочее тело заключено в холодной полости. Затем под действием внешних сил рабочий поршень начинает перемещаться вверх, сжимая рабочее тело в холодной полости, причем температура рабочего тела поддерживается на минимальном уровне. В точке 2 (рис. 1.15) вытесннтельный поршень все еще находится в крайнем верхнем положении, рабочийпоршень заканчивает свое движение вверх, и процесс сжатия завершается (рис. 1.14,6). Рабочий поршень остается в своей верхней мертвой точке, а вытеснительный поршень начинает движение вниз, перемещая рабочее тело в систему холодильник — регенератор — нагреватель и далее в горячую полость. Объем рабочего тела в этом процессе остается постоянным, а давление возрастает. В процессе между точками 2 и 3 рабочему телу передается тепло от регенератора. Точка 3 соответствует пребыванию всего рабочего тела в горячей полости, при
|
А 6 в г Рис. 1.14. Полный рабочий цикл двигателя, работающего по схеме фирмы «Филипс». |
Этом рабочий поршень все еще остается в своей верхней мертвой точке. Следует отметить, что вытеснительный поршень в точке 3 еще не достиг своего крайнего нижнего положения.
Теперь рабочее тело, находясь в горячей полости, получает тепло от трубчатого нагревателя и расширяется. Воздействуя на вытеснительный и рабочий поршни, расширяющееся рабочее тело заставляет их совместно перемещаться вниз, пока они не займут свое крайнее нижнее положение. В процессе между точками 3 и 4 совершается положительная работа. Точка 4 соответствует пребыванию обоих поршней в своих нижних мертвых точках. Рабочий поршень продолжает оставаться в этом положении, а вытеснительный поршень перемещается вверх, вытесняя расширившееся рабочее тело через систему нагреватель — регенератор — холодильник в холодную полость. При этом рабочее тело отдает остаток своего тепла регенератору. В процессе 4 — 1 объем остается неизменным, а давление падает. Так осуществляется цикл Стирлинга в том виде, как он показан на двух диаграммах состояния (рис. 1.15).
Сравнивая движение поршней относительно друг друга в последовательных процессах (рис. 1.14), легко заметить, что их движение на протяжении всего цикла не совпадает по фазе.
Для обеспечения протекания такого цикла в соответствии с его описанием, приведенным выше, необходимо прерывистое перемещение поршней. Этот вывод можно наглядно проиллюстрировать диаграммой перемещений поршней (рис. 1.16).
|
|
Рис. 1.15. Термодинамические диаграммы состояния идеального цикла Стирлинга.
Горячая полость расширения определяется переменным объемом VE между головкой цилиндра и верхним торцем вытеснительного поршня. Она образуется исключительно благодаря перемещению вытеснительного поршня. Холодная полость сжатия определяется переменным объемом Vc между нижним торцем вытеснительного поршня и верхним торцем рабочего поршня. Объем нагревателя, холодильника, регенератора и примыкающих к ним патрубков является нерабо
msd.com.ua
Очень тесно к современной тенденции использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) примыкает возможность реализации этой энергии в полезных целях с помощью двигателя Стирлинга. Данный двигатель представляет собой одну из вариаций двигателя внешнего сгорания и в силу этой особенности может быть легко переведен на работу от ВИЭ без вреда для экологии.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Это изобретение имеет довольно давнюю историю. Шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал двигатель, который с тех пор носит его имя, еще в 1816 г., однако двигатели аналогичного принципа действия были известны и раньше – с конца XVII в. По сути, Роберт Стирлинг лишь усовершенствовал их, сделав конструкцию более энергоэффективной.
Двигатель Стирлинга – тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело расширяется и сужается в замкнутом объеме вследствие периодического нагревания и охлаждения и совершает работу за счет притока тепловой энергии из внешней среды. Та особенность, что энергия подводится к рабочему телу из внешней среды, создает возможность для работы двигателя Стирлинга не только на энергии, выделяемой при сжигании топлива, но и от любого источника тепла, в том числе от ВИЭ.
Простейший двигатель Стирлинга представляет собой герметичный цилиндр, заполненный газом или жидкостью, внутри которого размещаются вытеснительный и рабочий поршни. Поршень-вытеснитель также имеет форму цилиндра, диаметр которого меньше внутреннего диаметра большего цилиндра настолько, что между их стенками остается небольшой зазор, по которому может перетекать газ или жидкость, заполняющая цилиндр. Рабочий поршень размещается за вытеснительным и толкает маховик, с которым связаны оба поршня по принципу кривошипно-шатунного механизма. Внешний цилиндр двигателя подогревается с одного конца. При этом рабочее тело (газ, жидкость) нагревается практически при постоянном объеме, затем рабочее тело расширяется при постоянной температуре, совершая работу и толкая рабочий поршень. Рабочее тело перемещается поршнем-вытеснителем в холодную зону, где происходит охлаждение при почти постоянном объеме.
Движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При нулевом сдвиге машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение).
Если физико-химические характеристики рабочего тела и цилиндра подобраны так, что в процессе цикла «расширение-сжатие» материал рабочего тела проходит через фазовый переход, работа двигателя может быть весьма эффективной, но потребует высокого давления внутри цилиндра. Стирлинг усовершенствовал двигатель за счет введения в него так называемого «эконома» – теплообменника-рекуператора или регенератора, который удерживает тепло в теплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Тем самым рекуператор (регенератор, эконом) повышает производительность двигателя. Рекуператор двигателя Стирлинга может представлять собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа или жидкости). Газ или жидкость рабочего тела, проходя через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдает (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (или отдает) его.
По термодинамической эффективности идеальный цикл Стирлинга не уступает циклу Карно, состоит из четырех фаз и разделен двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от теплого источника к холодному происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счет чего можно получить полезную работу. Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится рекуператором. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое рекуператором, одинаково. Полезная работа производится только за счет изотерм и зависит от разницы температур нагревателя и охладителя.
Рекуператор может быть внешним, а может размещаться на поршне-вытеснителе, что делает габаритные размеры и вес двигателя меньше. Роль рекуператора выполняет также зазор между вытеснителем и стенками цилиндра. При большой длине цилиндра надобность в дополнительном рекуператоре вообще исчезает, но появляются значительные потери на преодоление вязкости рабочего тела.
В зависимости от особенностей конструкции, в том числе от размещения рекуператора, различают несколько типов двигателя Стирлинга.
Типы двигателя Стирлинга
Традиционно выделяют альфа-, бета- и гамма-Стирлинг.
Альфа-Стирлинг содержит два раздельных силовых поршня (горячий и холодный) в раздельных цилиндрах. 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 объему достаточно велико, но высокая температура «горячего» поршня создает определенные технические проблемы.
В альфа-Стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев ра
бочего тела, со стороны холодного поршня.
Работа бета-Стирлинга описана выше как пример наиболее простого двигателя Стирлинга. 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 совмещен с поршнем-вытеснителем. В конструкцию гамма-Стирлинга входят два цилиндра, а также поршень и «вытеснитель». В холодном цилиндре движется поршень, с которого снимается мощность. Во втором цилиндре, горячем с одного конца и холодным с другого, движется поршень-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.
Существуют и другие разновидности двигателя Стирлинга. Одним из самых интересных современных решений является роторный двигатель Мухина – наиболее компактный в ряду двигателей Стирлинга. Одним из его достоинств является отказ от кривошипно-шатунного механизма.
Преимущества и недостатки
Двигатель Стирлинга в XIX в. создавался и рассматривался как взрывобезопасная альтернатива паровым двигателям. Он действительно безопасен в этом отношении, но это не единственное его преимущество.
Как все двигатели внешнего сгорания, двигатель Стирлинга может работать от любого перепада температур. Это определяет и возможность создания двигателей Стирлинга, совсем не наносящих при работе вреда экологии. Его конструкция проста, значительно проще двигателей внутреннего сгорания, предусматривающих газораспределительные системы для сжигания топлива, системы пуска двигателя и др. Двигатель Стирлинга при работе производит очень мало шума, значительно меньше, чем любые двигатели внутреннего сгорания. Безаварийный ресурс двигателя очень высок, этому способствует простота конструкции и отсутствие «уязвимых» узлов, которые, например, могут засоряться при сжигании топлива (в роторном двигателе Стирлинга, как говорилось выше, отсутствует даже кривошипно-шатунный механизм). Наконец, двигатель Стирлинга характеризуется достаточно высоким КПД.
Несмотря на указанные преимущества, двигатель Стирлинга не получил такого широкого распространения, как например, газо-поршневые или газо-турбинные двигатели внутреннего сгорания. Его недостатки перевешивали до настоящего времени вроде бы очевидные преимущества. Основным из недостатков двигателей Стирлинга считается высокая материалоемкость производства машин необходимой мощности. Рабочее тело двигателя Стирлинга необходимо охлаждать, что приводит к существенному увеличению массы и габаритных размеров установки за счет увеличенных радиаторов. Достижение характеристик двигателя уровня двигателей внутреннего сгорания требует высокого давления (свыше 100 атм) в цилиндре. Однако в последнее время, когда большое внимание уделяется экологическим характеристикам оборудования, применение двигателей Стирлинга может значительно расшириться, причем в различных сферах.
Применение и перспективы
В настоящее время рядом зарубежных фирм (Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling) начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки. Эти двигатели имеют эффективный КПД (до 45 %), удельную массу от 3,8 до 1,2 кг/кВт, ресурс до 40 тыс. ч и мощность от 3 до 1200 кВт.
С 60-х гг. прошлого века двигатели Стирлинга начали применять на подводных лодках. Пионером на этом направлении выступила Швеция. В настоящее время шведские кораблестроители уже отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок путем врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка. Двигатели Стирлинга позволяют подводным лодкам находиться под водой без всплытия до 20 суток. Подобные двигатели установлены также в новейших японских подводных лодках.
Одно из важнейших и самых перспективных применений двигателей Стирлинга – выработка электроэнергии. В данном случае большое значение имеет универсальность этих двигателей в отношении источника энергии и возможность работать при перепадах температур в таких диапазонах, где двигатели внутреннего сгорания применяться не могут. В частности, рассматриваются варианты применения двигателей Стирлинга для выработки электроэнергии в космосе. Такой двигатель, работающий на радиоактивных изотопах, разработан в NASA.
Большие надежды возлагаются на использование двигателей Стирлинга для преобразования солнечной энергии в электрическую. В этой установке солнечной электростанции двигатель Стирлинга устанавливается в фокусе параболического зеркала таким образом, чтобы отраженные лучи солнца постоянно фокусировались на зоне нагрева. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В качестве рабочего тела для таких двигателей Стирлинга используется водород или гелий. Эффективность выработки электроэнергии на этих установках (Sandia) достигает 31,25 %.
Компания Stirling Solar Energy строит в Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию, представляющую собой батарею из параболических солнечных установок, оснащенных двигателями Стирлинга. Выпускаются также и небольшие солнечные электростанции с двигателями Стирлинга, которыми могут пользоваться даже туристы. Фирмой Alisson разработан и построен космический вариант солнечной установки с двигателем Стирлинга мощностью 5 кВт (КПД 37,5 %). В качестве источника теплоты используется параболический лепестковый концентратор диаметром 5,8 м, создающий в приемнике температуру 947 К. В ловушке приемника излучения устанавливается тепловой аккумулятор, отдающий тепло фазового превращения при постоянной температуре на теневых участках орбиты полета. Такая установка долгое время работала на одном из искусственных спутников Земли типа Gemini. В России РКК «Энергия», РНЦ им. Келдыша разрабатывали солнечную энергетическую установку для МКС «Альфа» на основе ДС мощностью 10 кВт и 36-лепесткового солнечного концентратора диаметром 10 м. Двигатель Стирлинга был создан и испытан на одном из предприятий Санкт-Петербурга в 2001 г.
Просматриваются интересные перспективы применения двигателя Стирлинга в тепловых насосах. Обычно в состав теплонасосной установки включается циркуляционный насос, который перекачивает теплоноситель по контуру, имеющему значительную протяженность. Агрегат, совмещающий двигатель Стирлинга и тепловой насос Стирлинга («стирлинг-стирлинг»), может изменить ситуацию. Двигатель Стирлинга отдает в систему отопления бросовое тепло от «холодного» цилиндра, а полученная механическая энергия используется для подкачки дополнительного тепла, которое забирается из окружающей среды. В теплонасосе «стирлинг-стирлинг» совершенно отсутствуют рабочие поршни. Перепады давления, возникающие в двигателе, применяются непосредственно для перекачки тепла тепловым насосом. Внутреннее пространство агрегата герметично и позволяет использовать рабочее тело под очень высоким давлением. Согласно проведенным расчетам тепловой насос «стирлинг-стирлинг» в идеале должен на каждую калорию сожженного газа добавлять еще 3–10 кал из ВИЭ. При испытаниях эта величина оказалась меньше, и пока опыты по использованию таких устройств прекращены.
Поскольку двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию любого вида теплоты, для России значительный интерес представляет возможность серийного производства электрогенераторов средней мощности (от 3 до 500 кВт) с двигателями Стирлинга, работающими на местных видах топлив, в том числе и на биомассе. В данном случае в качестве местного топлива могут использоваться торф, уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности и др.
В настоящее время рядом компаний (Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling) начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых превосходят двигатели внутреннего сгорания и газотурбинные установки. Эти двигатели характеризуются КПД до 45 %, удельной массой от 3,8 до 1,2 кг/кВт, рабочим ресурсом до 40 тыс. ч и мощностью от 3 до 1200 кВт.
Журнал "Аква-Терм" №3 (67), 2012
Опубликовано: 28 сентября 2012 г.
вернуться назад
aqua-therm.ru
Несмотря на то, что самый высокий КПД преобразования тепловой энергии в механическую сейчас дают паровые турбины, они не универсальны, и работают только с высокими температурами. А можно ли получить электрическую энергию за счет тепла человеческого тела? Или за счет разницы температур на поверхности и на несколько метров под землей?
Да, можно с помощью двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга настолько же универсален, насколько и прост в изготовлении. Изготовить его может даже ребенок (и этому посвящено достаточно много сайтов) из подручных материалов. Попробуем разобраться, что такое двигатель Стирлинга, как он устроен и какие физические принципы лежат в основе его работы.
Двигатель Стирлинга является тепловой машиной, в которой рабочее тело (обычно это газ), движется внутри замкнутого пространства. Этот двигатель также является одним из видов двигателей внешнего сгорания, даже несколько больше. Он не только может работать на любом топливе, но и без топлива, просто при наличии источника тепла.
В основе двигателя Стирлинга лежит то, что объем газа при нагревании увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Представим, что у нас есть некий замкнутый корпус, определенного объема, в котором находится воздух. На одной части корпуса, у нас находится эластичная мембрана (она же поршень), которая выгибается каждый раз при нагреве корпуса, то есть совершает определенную работу за заданный промежуток времени. Это происходит из-за расширения воздуха, которым заполнен корпус. Обратный процесс, будет происходить точно также, только с точностью наоборот. Корпус необходимо не нагревать, а охлаждать. Мембрана из-за уменьшения объема воздуха, начнет снова выгибаться, но уже в другую сторону, опять же совершая работу.
Чтобы извлечь из этого пользу, колебания должны происходить достаточно часто, и воздух в корпусе должен постоянно то охлаждаться, то нагреваться. Для автоматизации этого процесса предусмотрен дополнительный поршень, который называется вытеснитель. Его роль вытеснять оставшийся объем воздуха (горячего или холодного), из нижней части корпуса (горячей), к верхней (холодной).
Этот поршень, занимает практически половину всего объема корпуса, и имеет вид круглого диска, не плотно прилегающего к стенкам корпуса. Зазор между стенкой и диском, как раз и необходим для того, чтобы воздух из горячей области корпуса, переместился в охлаждаемую область, и наоборот.
По идее, поршень должен состоять из легкого материала, плохо проводящего тепло, так как именно он является ключевым элементом в системе, который находится на границе раздела двух сред.
Ну а далее, двигатель Стирлинга состоит из обычной, кривошипно-шатунной системы, которая соединяет поршень и мембрану, что позволяет им находиться на одной оси вращения. Это и обеспечивает весь механизм цикличности, то есть дает возможность двигателю опускать и поднимать поршень.
Прошло уже немало лет после открытия, и дальнейшего применения двигателей для паровых машин по принципу Стирлинга. За все это время, инженеры всего мира, классифицировали его на три типа.
Первый тип получил название Альфа Стирлинг в честь первой буквы греческого алфавита, как самый первый из придуманных. Суть его работы заключается в следующем. Данный тип двигателя, содержит два разных поршня, которые находятся в разных цилиндрах. Соответственно один из них горячий, а другой холодный.
Отношение мощности альфа Стирлинга к его объему довольно велико, но из-за того, что температура у горячего поршня довольно большая, существует ряд технических проблем.
Для борьбы с этими проблемами, на смену ему приходит Бета Стирлинг. Цилиндр в этом типе один единственный, его температура урегулирована (с одного конца он холодный, а с другого горячий). Внутри него, как и в классической схеме Стирлинга, находятся поршень и вытеснитель, которые движутся, перекачивая горячий воздух в холодную область цилиндра с помощью регенератора.
И последний тип двигателя это Гамма Стирлинг. В этой конфигурации, все также, как и в первом. Есть поршень, определяющий мощность, и есть вытеснитель, который гоняет горячий воздух. Оба находятся в разных цилиндрах, один из которых холодный (поршень), а другой, как в бета конфигурации с одной стороны холодный, а с другой горячий (вытеснитель).
Существуют и иные типы Стирлингов, которые не подходят под стандартную классификацию. Это, так называемый «Роторный двигатель». Его преимущество заключается в отсутствии громоздкости, а также в хорошей герметичности.
Конечно же, цикл работы двигателя Стирлинга является неотъемлемой частью именно данного двигателя, но при детальном изучении, выяснилось, что существует множество иных циклов, отличных от Стирлинга, но, в то же время, подчиняются они его законам.
К примеру, двигатель типа альфа Стирлинг, у которого поршни имеют разный диаметр, обладают циклом работы, очень похожим на цикл Эрикссона. Также, бета и гамма Стирлинги, обладающие сравнительно большим диаметром вытеснительного поршня, тоже занимает место посередине между Эрикссоном и Стирлингом.
В бета Стирлинге, рабочее тело, изменяет свое состояние по кривой линии, имеющей промежуточное направление между изобарой и изохорой. Это позволяет увеличить мощность такого двигателя в два раза и уменьшить потери тепла и энергии, происходящие по вине силы трения. Одним из преимуществ такого двигателя Стирлинга, с принципом, близким к циклу Эрикссона, является то, что в любой момент, изобара может быть заменена изохорой (или наоборот). Это значит, что в момент расширения рабочего тела, не будет иметь место никакие изменения давления и теплообмена в двигателе.
Чего не скажешь об обычном цикле Стирлинга, в котором происходят колоссальные потери тепла, вызванные изотермическими процессами в охладителе и нагревателе.
Двигатель, сделанный по принципу Стирлинга, обладает рядом полезных преимуществ. Это и большой уровень температур, при которых он работает (чего не скажешь о стандартных двигателях внутреннего сгорания).
Конечно же, преимуществом является простота конструкции. Для постройки такого двигателя, необходим самый минимум систем. Запуск двигателя построен таким образом, что он может обходиться без стартера.
Еще одной важной особенностью Стирлингов, является их бесшумность работы. Так как в них отсутствуют выхлопы, то вся работа выполняется практически бесшумно.
Ну, и последним преимуществом является экологичность. Внутри двигателя отсутствуют компоненты, которые могли бы существенно загрязнять окружающую среду, чего не скажешь о двигателях внутреннего сгорания.
Но, как говорится, идеальных механизмов не существует, также и не обойтись без недостатков. Самым основным недостатком двигателя Стирлинга, является его громоздкость. Как и любой двигатель, он нуждается в охлаждении, а это сулит установкой большего количества радиаторов, что существенно увеличивает массу всей конструкции.
Остальные недостатки, не так существенны при постройке данного типа двигателя, поэтому их можно не брать во внимание.
На сегодняшний день, двигатель Стирлинга применяется практически во всех областях и отраслях. Его используют как универсальный источник электроэнергии, в качестве насосов, в холодильных системах, на подводных лодках, в качестве аккумуляторов, на солнечных электростанциях и так далее. Именно по этой причине, двигатель Стирлинга, сейчас является универсальным устройством для выполнения любого рода задач.
nezna.li
