Краткая история этого устройства. Сам двигатель был изобретен пастором Стирлингом в 1816 году, а в 1817 году им был получен патент на изобретение. Это была тяжелая машина весом больше тонны имеющей мощность чуть более одной лошадиной силы (менее одного Квт), а её механический КПД (коэффициент полезного действия) был по разным оценкам не выше 3%. Она была открытого типа (т.е. не герметичная) и не имела регенератора. Основным достоинством было то, что её можно было изготовить в любой сельской кузнице, а так же то, что давление в ней было атмосферное.
Примечателен ещё один факт – цикл Карно, описывающий тепловые процессы газов, был открыт в 1825 году, т.е. спустя 9 лет после изобретения Стирлинга.
Это говорит об гениальности изобретателя, который на своих наблюдениях над процессами расширения и сжимания газов (воздуха) чисто интуитивно сконструировал свою машину. Впоследствии Стирлинг ввел в машину закрытый цикл (машина стала герметичной), а так же регенератор – устройство, которое накапливало и отдавало тепловую энергию в разных циклах работы машины. До конца 20-го века были изготовлены порядка 1 тысячи машин, которые были поставлены в основном в колонии (США) и некоторые из которых работают и по сей день. Их вес стал меньше, а КПД поднялось до 10%. Но машина Стирлинга была вытеснена с рынка вначале паровой машиной, затем паровой турбиной, и двигателями внутреннего сгорания, двигателем Дизеля. Новые машины за счет повышенного давления в рабочей полости (в цилиндрах и камерах) имели лучше показатель «вес/габарит/мощность».
В ИНТЕРНЕТе есть много информации по типам и принципу действия машины Стирлинга. Если коротко описать принцип действия, то можно сказать, что в течении 4-х циклов происходит расширение и сжатие газа в цилиндрах (их количество варьирует от одного до десятка), с нагреванием одних из них и отводом тепла от другогих. Регенератор при этом служит для аккумулирования тепловой энергии газообразного тела, вытекающего из горячей полости, и возвращения аккумулированной энергии газообразному телу при обратном движении – от холодной полости. От того, насколько хорошо работает регенератор, зависит общий КПД машины.
Преимущества машины Стирлинга:
- этот двигатель называют «двигатель внешнего сгорания» так как для его запуска необходима внешняя тепловая энергия, т.е. двигатель «всеяден»,
- в двигателе нет ни одного клапана,
- все процессы, протекающие в двигатели происходят без взрывов и резких изменениях давления, т.е. двигатель малошумящий,
- количество механических деталей, как правило, меньше в 1,5-2 раза по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и двигателями Дизеля,
- КПД сложных машин Стирлинга выше двигателя внутреннего сгорания (макс. 25%) и двигателя Дизеля (до 32%) и составляет у самых лучших образцов (32-34)%.
Недостатки машины Стирлинга:
- для получения приемлимых массогабаритных параметров необходимы давления до 200атм. и применение высоко текучего гелия или взрывоопасного водорода,
- использования уплотнений, работающих без смазки,
- сложная конструкция теплообменников в горячей и холодной полости,
- высокоэффективная система охлаждения,
- отсутствие чёткой математической модели, описывающей все процессы, протекающие в той или иной части машины.
Какие существуют типы машин?
Классификация машин Стирлинга по типу, применяемому рабочему телу, конструкции и прочее очень сложная. Подробная информация содержится в ИНТРНЕТе. Исходя из сложности, значения КПД, применяемого рабочего тела и стоимости, мы для себя классифицировали машины на три основных типа:
ПЕРВЫЙ – сложный, с применением в качестве рабочего тела гелия или водорода, с рабочим давлением больше 200 атм., имеющие в составе регенератор. Их механический КПД выше 30%, зато стоимость и сложность изготовления высокая.
ВТОРОЙ – средний. В качестве рабочего тела используется воздух и/или азот, рабочее давление до 10атм., имеющие в своем составе регенератор. Их КПД редко достигает 20%, зато стоимость и сложность средняя,
ТРЕТИЙ – простой. В их конструкции отсутствует регенератор, давление 1 атм., и соответственно КПД - менее 4%. Большой габарит при малой мощности, зато цена низкая. Используется как модели, но применения в промышленности не нашли.
Для изучения вопроса вначале нами были изготовлены 2 машина Стирлинга ПЕРВОГО типа, т.е. без регенератора, с рабочим давлением 1 атм. и воздухом в качестве рабочего тела. Были изготовлены 2 макета машин конструкции «ГАММА» и «БЕТА». На них отработаны методы замера механической мощности и КПД.
На сегодня проводится отработка узлов «регенератор», «теплообменник», «уплотнения». Эти работы проводятся над отдельными узлами. Целью этих исследовательских работ является получения рабочих узлов с их последующим применением в машинах ВТОРОГО типа.
Исходя из наших возможностей, возможностей технологического парка станков, квалификации и опыта специалистов в Республике Молдова, нами был выбран ВТОРОЙ тип машины, т.е. работающие при рабочем давлении не больше 10-ти атм., с регенератором и воздухом или азотом в качестве рабочего тела. В основном выбор основывается на создании безопасной и простой машины, с высоким ресурсом работы и малой стоимостью. Пользователь не должен обладать квалификацией или специальными знаниями при её эксплуатации, а неполадки не должны приводить к взрывам или иным опасным ситуациям.
ПОЧЕМУ МАШИНЫ ВТОРОГО ТИПА?
Простой расчёт показывает, что для использования машины Стирлинга в сельской местности высокий КПД не нужен. И вот почему… Допустим, КПД машины равен 15%. О чём это говорит? Это означает, что 15% будут преобразованы в механическую (т.е. электрическую) энергию, а остальные 85% будут выведены их машины Стирлинга в качестве тепла, ведь для охлаждения машины нужен эффективный охладитель. Допустим, что машина вырабатывает 1.5 кВт* механической / электрической энергии, тогда система охлаждения машины выведет во внешний контур 8.5 кВт тепловой энергии с температурой (70-90)°С. Это соотношение так же хорошо при КПД машины 10% - на 1кВт* электричества будет вырабатываться 9кВт тепла.
Примеры применения машины Стирлинга
В Республике Молдова выращиваются от 0.5 до 1.0 млн. тонн пшеницы. Примерно столько же остаётся соломы.
Энергетическая ценность соломы составляет примерно (0,6-0,7) от угля среднего качества (не путать вес и объем), что по энергетической ценности эквивалентно как минимум 300 тысяч тонн угля в самый плохой год. Для отопления среднее хозяйство в сельской местности потребляет порядка (1,0-1,2) тонн угла среднего качества, а количество хозяйств в сельской местности примерно равно 300 тысяч, т.е. для их полного обеспечения необходимо от 300 до 360 тысяч тонн угля среднего качества.
Вывод
Если всю солому,которая остается на полях, использовать для отопления и выработки электроэнергии, то даже её практически хватит для этих целей. Так же можно применять отходы кукурузы, подсолнечника, а так же энергию Солнца. А для этого нужен «двигатель внешнего сгорания», коим и является машина Стирлинга.
* без учёта КПД преобразования механическая энергия / электрическая энергия.
sincos-plus.com
Проект двигателя Стирлинга на солнечной энергии
Краткий экскурс в проблему...
Двигателем Стирлинга принято называть двигатели внешнего сгорания замкнутого цикла . Эти двигатели были забыты с развитием ДВС (двигатели внутреннего сгорания) но в последние время на них все чаще обращают внимание в связи с подорожанием нефти. В солнечной енергетике они нашли свое применение как електрогенераторы и могут конкурировать с полупроводниковыми елементами, и по цене и по КПД.
Самыми близкими родственниками двигателя Стирлинга являются паровые машины. Принципиальная разница состоит в том, что как рабочее тело в двигателе Стирлинга используется газ в замкнутом цикле а не пар. По конструкции эти двигатели могут быть и достаточно простые и очень хитромудрые. В целом, конструктивно они проще от ДВС и требования к точности и компрессии у них ниже. Похоже, что можна сконструировать рабочий двигатель Стирлинга из подручных материалов, что само по себе уже интересно.
Для роботы таких двигателей необходима разница температур, в этом смысле они являются полной противоположностью тепловым насосам. Основное же отличие от двигателей внутреннего сгорания состоит в необходимости осуществлять теплообмен с рабочим газом. В этом есть и свои преимущества и свои недостатки. Принцип работы заключается в следующем, часть энергии двигателя расходуется на перемещение газа из зоны нагрева в зону охлаждения, при этом давление газа в системе изменяется и приводит в движение рабочий цилиндр. В классических схемах перемещение газа осуществляется специальным устройством - вытеснителем.
Существуют низкотемпературные конструкции, которые позволяют преобразовывать теплоту в механическую роботу даже при низкой разнице температур. Вот одна из таких схем. Тепло подводится снизу, холод сверху. Рабочим является верхний цилиндр, нижний ведомый - вытеснитель. Связаны между собой вытеснитель и рабочий поршень кривошипно-шатунным механизмом со сдвигом на 90 градусов. Поршень нижнего цилиндра не плотно прилегает к стенкам и при его движение газ вытесняется из области нагрева в область охлаждения и наоборот. При этом давление газа в системе меняется и рабочий поршень осуществляет полезную работу.
гама
Вот еще мультиков надергал из Интернета, с различными схемами двигателя. Принципиальное различие состоит только во взаимном расположении поршня и вытеснителя.
альфа,
вета
бета
Для повышения КПД применяется регенератор - газопроницаемая среда с высокой теплоемкостью и теплопроводностью. В качестве регенератора может использоваться металлическая дробь, сетки итд.. Смысл состоит в том, чтобы отнять энергию газа на N-1 цикле и передать ее на N+1цикл. На рис. 1 показана классическая схема работы вытеснителя с нагревателем, регенератором и холодильником. Поршень вытеснителя может быть жестко связан посредством кривошипно-шатунного механизма с поршнем рабочего цилиндра. Есть схемы без жесткой связи - так называемые свободнопоршневые. Рабочий цилиндр не нарисован.В зависимости от места его подключению к указанной системе существуют три основные схемы двигателя - альфа, бета и гама. Не вникая в особенности этих схем, общим недостатком является наличие паразитного , "мертвого" объема, который понижает КПД двигателя. Конструктивное расположение вытеснителя, нагревателя холодильника и рабочего цилиндра таковы, что часть объема газа не греется и не охлаждается а только демпфирует работу рабочего цилиндра.
Общей проблемой двигателей Стирлинга является также их низкая удельная мощность, тоесть большие размеры. Все это связано с проблемой теплопередачи. Теплоотдача определяется эмпирической формулой Q=k*t*S*dT, где Q количество тепла, t время, S площадь, dT разница температур. k коэффициент теплоотдачи который для воздуха равен 5,6+4*V (Вт/квм*К). V скорость воздуха в м/с. Как видно для обеспечения ощутимой мощности необходимо обеспечить большую площадь теплообмена и скорость воздуха относительно поверхности.
Для увеличения теплообмена в двигателе Стирлинга и уменьшению паразитного объема, мною было предложена следующая свободнопоршневая схема без явного вытеснителя для низкотемпературного двигателя рис.2. В герметичном резервуаре размещаются пластинчатые теплообменники вода-воздух (радиатор) - нагреватель и холодильник . Площадь такого теплообменника может достигать кв. метров при небольшом объеме, благодаря большому количеству пластин. Тепло для нагрева и охлаждения поступает на теплообменник жидкостями извне по патрубкам. Вентилятор поочередно в различном направлении приводится в движение электроприводом. При циклическом изменении направления потока воздуха газ в резервуаре поочередно нагревается и охлаждается. При этом изменяется давление газа и приводится в циклическое движение рабочий цилиндр, не указаний на схеме. Возможна также иная схема без регенератора. Два вентилятора работают поочередно, каждый обдувает отдельно теплообменник нагревателя и холодильника. Для повышения теплообмена предполагается поддерживать в резервуаре повышенное давление.
Анализ литературы по низкотемпературным Стирлингам показывает возможность построения двигателя с КПД 0.5=0,55 от того что дает формула Карно. Таким образом если использовать солнечные коллекторы для нагревателя, температура воды в которых может достигать 80 грС, а в качестве холодильника, скажем подземные коллектора тепловых насосов с температурой 10 грС, можно оценить КПД предполагаемого двигателя как 0,5*70/353=0.1. Результат вполне сравнимый с солнечными батареями. Учитывая высокую цену кремниевых батарей а также их деградацию, создание подобного двигателя весьма перспективно.
На самом деле предлагается вариант как заменить громоздкий вытеснительный механизм в стирлинге. Вот какие у меня были соображения в случае вентиляторного " вытеснителя". Как известно КПД самолетного винта 82-86 проц. Канально-осевого вентилятора может быть больше 90, поскольку радиальное сваливание потока ограничено трубой. КПД двигателя постоянного тока достигает 95 проц. Все вместе пускай 0, 85. Мы знаем что низкотемпературные движки работают и у них очень большой вытеснитель. Потери у него на трение и на изменение импульса каждый раз, поскольку он движется или крутится туда-сюда. Тогда на каждом цыкле он теряет 2mV. Значит КПД вытеснительного механизма не единица а потери на его работу ощутимые и можно с большой степенью вероятности допустить, что они могут быть сравнимыми с потерями вентилятора. Вывод - с вентиляторами можна пробовать, раз вытеснительные двигатели работают. И если у меня в конструкции что-то не так, то можна искать утечки и доводить ее. Я полагаю самая большая проблема с паразитным теплообменом.
Для высокотемпературных Стирлингов характерна проблема смазки, и быстрая в связи с этим изнашиваемость и коррозия. Частично решить эту проблему можно также используя электропривод вытеснителя в свободнопоршневой схеме. При этом будет устранена энергоемкая механическая связь между рабочим цилиндром и вытеснителем и обеспечена герметичность системы при высоких давлениях. Кажется перспективным сложный роторный вытеснитель с теплообменником подобно конденсатору переменной емкости в старых радиоприемниках. Такая сложная форма обеспечит большую площадь поверхности при малом объеме. При этом вращательное движение в антифрикционных втулках роторного вытеснителя не потребует жидкой смазки.
Реализация проекта
Вот из этого и много чего начал делать стирлинг. Сделал воздуходувки из пластиковых мысок и электродвигателей печек ВАЗА.
Сейчас грею котлом, разница температур 70 С, но впринцыпе все это затеял под солнечные коллектора.
А вот как это пока работает http://video.yandex.ua/users/panxatka/view/3/ . Вообще движок должен работать при стартовом давлении 10 Ат. Ну и все показатели в том числе и частотные должны улучшиться. Некоторые даже в 10 раз.
Литература
r.canterbury.ac.nz/bitstream/10092/2916/1/thesis_fulltext.pdf b-dig.iie.org.mx/BibDig/P10-0464/pdf/2606.pdf http://www.youtube.com/watch?NR=1&feature=endscreen&v=Srm7GcaL3DE
Написать письмо
panxatka.narod.ru
Двигатель Стирлинга
Содержание.
1. Введение 2
2. Принцип работы и устройство 5
3. Перспективы использования 8
4. Заключение 14
5. Список литературы 15
6. Приложения 18
Введение
Машина “Экономайзер” (economiser), созданная Робертом Стирлингом и названная им так была запатентован 21 сентября 1816 года в Эдинбурге, столице Шотландии. В обыденной жизни Роберт Стирлинг был священником шотландской церкви и продолжал вести службы, хотя ему к этому времени исполнилось восемьдесят шесть лет. В свободное время в своей домашней мастерской он конструировал тепловые машины. Одну из его работавших моделей позднее использовал лорд Кельвин для своих университетских лекций.
Один из первых двигателей Стирлинга
Двигатель Стирлинга в то время считался надежной паровая машиной, которая никогда не взрывается, как это довольно часто случалось с другими типами паровых двигателей в те времена.
Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной. Его теоретическая эффективность практически равна максимальной эффективности тепловых машин (эффективность цикла Карно ). Он функционирует за счет теплового расширения газа. Затем следует охлаждения газа, после чего – сжатие. Двигатель Стирлинга включает в себя некоторый постоянный объем рабочего газа. Он перемещается между "холодной" частью (обычно комнатной температуры) и "горячей" частью. “Горячая” часть обычно разогревается за счет сжигания любого вида топлива, атомным реактором или за счет солнечного тепла. Двигатель Стирлинга считается двигателем внешнего сгорания, поскольку нагрев производится снаружи, а не изнутри.
С момента изобретения было разработано большое количество различных разновидностей двигателей Стирлинга с целью повышения мощности и эффективности. Тем не менее, они уступали по удельной мощности двигателям Отто и Дизеля. Двигатель Отто, изобретенный в 1877 году и двигатель Дизеля, изобретенный в 1893 имели более высокую удельную мощность, чем двигатели Стирлинга того времени. Это привело к постепенному вытеснению двигателя Стирлинга из промышленности. Они еще широко применялись в начале нашего века на фермах и шахтах - в основном для приведение в действие различных насосов и других применений, где не требуется высокая удельная мощность, а основными критериями являются надежность и экономичность. Но к 1940 году их выпуск был прекращен.
В 1850 простая и элегантная динамика двигателя Стирлинга была впервые теоретически описана профессором Рэнкином МакКорном ( Professor McQuorne Rankine ). Приблизительно через сто лет термин "Двигатель Стирлинга" был использован Рольфом Мейером (Rolf Meijer) для обозначения всех типов регенеративных паровых машин замкнутого цикла.
Демонстрационная модель двигателя Стирлинга
Двигатели Стирлинга довольно долгое время использовались лишь как игрушки и учебные пособия в школах и университетах при изучении термодинамики. Но в последние годы интерес к двигателю Стирлинга быстро возрастает. На двигателе Стирлинга стали осуществлять промышленный выпуск домашних электрогенераторов (см. приложение 1). Национальным Аэрокосмическим Агентством США (NASA) были проведены сравнительные оценки различных типов тепловых машин для использования в космической аппаратуре ( см. приложение 2 ). Благодаря своему высокому кпд и надежности двигатель Стирлинга был признан наиболее перспективным. Выпускаются холодильные установки, работающие на обратном цикле Стирлинга - как промышленные, позволяющие получать температуру до -2400 С ( см. приложение 3 ), так и предназначенные для использования в бытовых холодильниках. В последнем случае их преимущества перед традиционными системами обусловлены тем, что в качестве хладогента в них может быть использован обычный воздух.
Таким образом, можно сказать, что история двигателя Стирлинга далеко не закончена. Его развитие входит в новый многообещающий этап. Двигатель Стирлинга является тепловой машиной замкнутого цикла. Его работа основана на расширении газа, используемого как рабочее тело, при повышении температуры. На следующем рисунке приведены диаграммы для идеального цикла Стирлинга в координатах давление-обьем P-V и температура-энтропия T-S и иллюстрации соответствующих процессов.
Точки, разделяющие этапы работы двигателя обозначены цифрами на диаграммах. На первом этапе (1-2) происходит изотермическое расширение газа. Далее, на следующем этапе (2-3) - охлаждение при постоянном объеме. Далее (этап 3-4) - изотермическое сжатие охлажденного газа. И наконец на этапе 4-1 разогрев при постоянном объеме. Полезная работа производится газом только на первом этапе. Все остальные происходят за счет запасенной части энергии (обычно, энергии вращающегося колеса).
Существуют два основных типа двигателей Стирлинга, отличающихся устройством цилиндров. В первом - так называемом двухцилиндровом (Two pistons type Stirling engine) используются раздельные цилиндры для нагревания и охлаждения рабочего газа.
Двухцилиндровый двигатель Стирлинга
На этом рисунке верхняя часть горячего цилиндра с поршнем (hot piston) постоянно разогревается внешним источником тепла, в то время, как верхняя часть холодного цилиндра с поршнем (cold piston) постоянно охлаждается. Следует обратить внимание, что поршни закреплены на коленчатом валу (crank shaft) так, что обеспечивают сдвиг по фазе на 90 градусов, т.е. в то время, как горячий поршень достигает верхнего положения, холодный находится в среднем положении, двигаясь вверх. Этот момент сооответствует этапу 2-3 на предыдущем рисунке - охлаждению при постоянном объеме. Затем холодный поршень поднимается вверх, сжимая охлажденный газ при постоянной температуре - этап 3-4. Когда холодный поршень вытесняет охлаженный и сжатый газ в горячий цилиндр, тот разогревается при постоянном объеме - этап 4-1. И наконец, горячий газ расширяется, толкая поршень в горячем цилиндре вниз - этап 1-2. На последнем этапе выделяется мощность, часть которой запасается вращающимся колесом (flywheel).
В другой конструкции - двигателе Стирлинга поршневого типа (Displacer type Stirling engine) - используется один цилиндр, одна сторона которого (верхняя на приведенном ниже рисунке) постоянно охлаждается, а другая - постоянно нагревается. Поршень-дисплейсер (displacer), разделяющий холодную и горячую части цилиндра, неплотно прилегает к стенкам цилиндра, что позволяет газу перемещаться между ними. В этой конструкции поршни так же закреплены на коленчатом валу со сдвигом по фазе на 90 градусов. Двигатель работаетпо тому же принципу, что и предыдущая конструкция.
Двигатель Стирлинга поршневого типа
И в той, и в другой конструкции тепловая энергия нагревателя преобразуется в механическую энергию вращения вала. Однако, возможно использование и обратного цикла Стирлинга - если за счет внешнего двигателя вращать вал в этих машинах, рабочий газ будет двигаться по тому же циклу. При этом "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а "холодный" - разогреваться. То есть двигатель Стирлинга в этом случае будет работать как тепловой насос, т.е. холодильная машина. Рабочим телом в нем может служить любой газ, в том числе и атмосферный воздух.
Перспективы применения
Двигатель Стирлинга с успехом может применяться в некоторых новых “экологических нишах”, благодаря развитию науки и техники. На приведенных ниже рисунках показаны. некоторые из них.
Перспективные применения двигателя Стирлинга.
Пример солнечной энергетической установки (solar power system) показан на первом рисунке. Эффективность его использования в данных системах обусловлена простотой и надежностью конструкции двигателя Стирлинга, а также высоким к.п.д. В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). Роль такого экологически чистого источника энергии в современном мире трудно переоценить.
Тепловой насос Вуллемейера схематически изображен на втором рисунке (Vuillemeier Heat Pump). Известно, что при использовании обратного цикла Стирлинга, т.е. если, например, приводить двигатель Стирлинга в движение с помощью какого-либо внешнего источника (например, еще одного двигателя Стирлинга), то "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а "холодный" - разогреваться. Если при этом разогревать "горячий" цилиндр (например, окружающим воздухом), то "холодный" цилиндр будет разогреваться до более высокой температуры. При этом внешняя энергия расходуется не непосредственно на разогрев, а на "перекачку" тепла из холодного места в более теплое, что гораздо эффективнее. Для идеального случая к.п.д.такой системы может быть посчитан как
здесь
Тс - абсолютная температура холодной части
Тh - абсолютная температура горячей части
Поскольку даже в сильные морозы Тс редко опускается ниже 250 градусов Кельвина, для поддержания Тh на уровне 300 градусов Кельвина ( 270 ) к.п.д. составляет 250/(300-250)=5. То есть, затратив 1 кВт.ч электроэнергии на работу теплового насоса, мы получим в 5 раз больше тепла, чем если бы подавали ту же мощность прямо на электронагреватель. Отсюда легко понять интерес к тепловым насосам на основе цикла Стирлинга.
На следующем рисунке изображен криокулер Стирлинга (Stirling cryocooler), работающий по тому же принципу теплового насоса, но используется в качестве холодильной установки для получения очень низких температур.
Двигатель Стирлинга, установленный на атомной подводной лодке показан на последнем рисунке. Высокий к.п.д. и надежность делают его идеальным кандидатом для преобразования тепловой энергии, вырабатываемой атомным реактором, в механическую, так как в этом случае вес и габариты двигателя не играют большой роли. Двигатель Стирлинга может быть размещен в изолированной части корпуса что особенно существенно в случае затрудненного доступа. Кроме того, он практически не нуждается в уходе и настройке (как в случае подводных лодок или космических аппаратов).
Так, специалистами NASA ( Национального Аэрокосмического Агентства США) были проделаны предварительные проработки проекта создания обитаемой базы на Луне ( см. приложение 2 ). Проектом предусматривается постепенное, "эволюционное" строительство базы - начиная с маленького обитаемого модуля и до большой производственой базы с полной обработкой полезных ископаемых. В качестве основного источника энергии для работы в условиях лунной поверхности был выбран атомный реактор SP-100 с тепловой мощностью 2500 кВт и 8 электрических генераторов, работающих от двигателей Стирлинга. Два из них предполагалось держать в резерве для обеспечения требуемого уровня резервирования мощности, а остальные планировалось использовать на 91.7 процентов от их номинальной электрической мощности (150 кВт). Таким образом, полная проектная электрическая мощность составляет 825 кВт. В качестве дополнительного источника на первом этапе строительства предусмотрено использование наращиваемых солнечных батарей. В проекте приводится подробное техническое описание реакторной установки, конструкции и теплового подсоединения двигателей Стирлинга, систем отвода тепла и распределения мощности.
Описанный лунный проект демонстрирует потенциальные применения двигателей Стирлинга в будущем.
В настоящее время начался выпуск домашних электрогенераторов на двигателе Стирлинга . В приведенном рекламном материале описан совмещенный нагреватель-электрогенератор WG800 мошностью 800 Вт на двигателе Стирлинга. Прибор универсальный, предназначен для использования как в домашних условиях, так и под открытым небом. Его преимущества - высокая надежность и автономность (5000 часов работы до первого технического обслуживания), низкий уровень шума - горючее сгорает непрерывно, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, где оно поступает в цилиндр порциями и там взрывается. В качестве топлива может использоваться природный газ, все виды жидкого топлива, уголь и даже дроваВсе это делает его чрезвычайно удобным для использования в удаленных от электосетей. На рынке доступны так же более мощные, 3 кВт, модели прибора.
Другой пример современного использования приборов, основанных на цикле Стирлинга - криокулеры. В широких масштабах их начали производить около десяти лет назад - преимущественно для использования в военной технике: на танках и самолетах требовалось устанавливать высокочувствительные охлаждаемые до температур порядка -2000 С датчики и приемники. Для их охлаждения и были разработаны криокулеры на основе обратного цикла Стирлинга. Ниже приводится краткое описание одного из отечественных криокулеров, которые в связи с конверсией поступили на открытый рынок.
Современная полупроводниковая электроника подошла в своем развитии к пределу, обусловленному физическими законами. Дальнейшее повышение характеристик требует применения охлаждающих устройств до температур порядка -1000 -2000С элементам. На последних конференциях по электронике (ISEC-97, EUCAS-97) активно обсуждаются различные способы охлаждения аппаратуры. На сегодняшний день наиболее перспективным признано использование криокулеров на цикле Стирлинга. Доступные в настоящее время, выпускаемые мелкими сериями модели маломощных криокулеров стоят порядка 10-15 тысяч долларов. При переходе к крупносерийному производству ожидается, что их цены упадут в несколько раз, что сделает коммерчески выгодным использование охлаждаемых элементов сначала в наиболее ответственных системах - таких, как файл-серверы, и большие компьютеры, а в перспективе и в бытовых компьютерах. Таким образом, можно ожидать, что к середине следующего века, по мере распространения домашних компьютеров, двигатель Стирлинга придет практически в каждый дом.
Заключение
Двигатель Стирлинга после своего изобретения в 1816 году пережил первый период своего широкого распространения - в конце прошлого - начале нашего века, после чего был практически забыт. Но в последние годы начался новый период его распространения, он вновь привлекает к себе повышенный интерес в самых разных областях использования. В настоящее время быстро расширяется использование криокулеров на основе цикла Стирлинга, выпускаются электрогенераторы, работающие от двигателей Стирлинга. Его преимуществами являются надежность, высокий к.п.д., возможность использования экологически чистых источников энергии, неприхотливость. Все это в будущем позволяет рассчитывать на широкое распространение двигателя Стирлинга.
Литература.
1. El-Genk, Mohamed S.; Editor (1994) A Critical Review of SPACE NUCLEAR POWERAND PROPULSION 1984-1993, American Institute of Physics Press
2. Organ, A. J. (1992) Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Cycle Machine, Cambridge University Press
3. Reader, G. T. and Hooper, C. (1983) Stirling Engines, E. & F. N. Spon
4. Urieli, I. and Berchowitz, D. M. (1984) Stirling Cycle Engine Analysis, Adam Hilger Ltd.
5. Walker, G. (1973) Stirling-Cycle Machines, Oxford University Press
6. West, C. D. (1986) Principles and Applications or Stirling Engines, Van Nostrand Reinhold Company, Inc.
7. Roberts, M.L.: Inflatable Habitation for the Lunar Base. Presented at the Symposium on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century, Apr. 5-7, 1988, Houston, TX, Paper Number LBS-88-266.
8. Conceptual Design of a Lunar Oxygen Pilot Plant--Lunar Base Systems Study. (EEI-88-182, Eagle Engineering, Inc., NASA Contract NAS9-17878) NASA-CR-172082.
9. Brinker, D.J.; and Flood, D.J.: Advanced Photovoltaic Power Power System Technology for Lunar Base Applications. NASA TM-100965, 1988.
10. A.C. Klein, NASA Lewis Summer Intern Report.
11. Personal communication from J. Alfred, NASA Johnson Space Center.
12. Bloomfield, H.S.: Small Reactor Power Systems for Manned Planetary Surface Bases. NASA TM-100223, 1987.
13. Slaby, J.G.: Overview of the 1988 Free-Piston Stirling SP-100 Activities at the NASA Lewis Research Center. NASA TM-87305, 1986.
14. English, R.E.; and Guentart, D.G.: Segmenting of Radiators for Meteoroid Protection. ARS J., vol. 31, no.8, Aug. 1961, pp. 1162-1163.
15. Bien, D.D.; and Guentart, D.C.: A Method for Reducing the Equivalent Sink Temperature of a Vertically Oriented Radiator on the Lunar Surface. NASA TM X-1729, 1969.
16. Roberts, B.B.; and Bland, D.: Office of Exploration: Exploration Studies Technical Report, Volume 2: Studies Approach and Results. NASA TM-4075-VOL-2, 1988.
17. Lee S. Mason and Harvey S. Bloomfield National Aeronautics and Space Administration Lewis Research Center, Cleveland, Donald C. Hainley Sverdrup Technology, Inc. NASA Lewis Research Center Group Cleveland SP-100 Power System Conceptual Design for Lunar Base Applications 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems. 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems sponsored by the Institute for Space Nucelar Power Studies, Albuquerque, NM, January 8-12, 1989
studyport.ru
