В XIX веке инженеры начали искать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара и неподходящих материалов для их постройки. И такая замена появилась благодаря канадскому священнику Роберту Стирлингу, который изобрел и 27 сентября 1816 года запатентовал (английский патент № 4081) новый тип двигателя внешнего сгорания, преобразовывающий в работу любую разницу температур.
Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий.Как работает двигатель Стирлинга
Достоинства двигателя Стирлинга:
1. Всеядность. Можно использовать любое топливо, главное создать разницу температур.
2. Низкая шумность. Поскольку работа построена на перепаде давления рабочей жидкости, а не на поджоге смеси, то шумность по сравнению с двигателем внутреннего сгорания существенно ниже.
3. Простота конструкции, отсюда высокий запас прочности.
Однако все эти достоинства в большинстве случаев перечеркиваются двумя большими недостатками:1. Большие габариты. Рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массы и размеров за счёт увеличенных радиаторов.
2. Низкий КПД. Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников, соответственно потери КПД велики.
С развитием двигателя внутреннего сгорания двигатель Стирлинга ушел...нет не в прошлое, а в тень. Он с успехом эксплуатируется в качестве вспомогательных силовых установок на подводных лодках, в тепловых насосах на теплоэлектростанциях, в качестве преобразователей солнечной и геотермальной энергии в электрическую, с ним связаны космические проекты по созданию силовых установок работающих на радиоизотопном топливе (радиоактивный распад происходит с выделением температуры, кто не знал).Кто знает, возможно однажды двигатель Стирлинга ждет большое будущее!Источник
maxxbay.livejournal.com
Двигатель Стирлинга сегодня
Двигатель, предложенный самим Робертом Стирлингом, имел значительные массо-габаритные характеристики и низкий КПД. Из-за сложности процессов в таком двигателе, связанных с непрерывным движением поршней, первый упрощенный математический аппарат разработан только в 1871 году пражским профессором Г. Шмидтом. Предложенный им метод расчета основывался на идеальной модели цикла Стирлинга и позволял создавать двигатели с КПД не превышающем 15%. Лишь к 1953 году голландской фирмой «Филипс» разработаны первые высокоэффективные двигатели Стирлинга, превосходящие по характеристикам двигатели внутреннего сгорания.
Мировой интерес к этому типу двигателей с того времени продвинулся из области теоретических построений в плоскость практической реализации в самых разных сферах. За рубежом уже начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки. Так, двигатели Стирлинга фирм Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling мощностью от 5 до 1 200 кВт имеют эффективный КПД более 42 %, ресурс - более 40 тыс. ч, удельную массу - от 1,2 до 3,8 кг/кВт.
В США стартовал проект создания солнечной электростанции с использованием двигателя Стирлинга в качестве прямого преобразователя теповой энергии в механическую. На фото Чак Андрака (Chuck Andraka, слева) и глава Stirling Energy Systems Боб Лиден (Bob Liden) на фоне первой установки в испытательном центре Сандия (фото с сайта sandia.gov). Теоретически КПД Стирлинга может совпадать с физическим пределом, определяемым разностью температур нагревателя и холодильника, да и на практике можно получить от стирлингов КПД порядка 70%. По расчётам авторов проекта, в теории одна ферма солнечных стирлингов, под которую отвели бы территорию 160 х 160 километров на юге США, полностью покрыла бы всю потребность страны в электроэнергии. На сегодняшний день прототипы успешно проходят испытания, но стоимость каждого еще слишком высока (более 150 тысяч долларов США), что тормозит массовое внедрение.
Подобными разработками интересуются и в Швеции. На сайте компании "Cleanergy" вниманию посетителей представлен новый концепт солнечной миниэлектростанции для получения электроэнергии. Создан как полномасштабный образец с гелиоконцентратором на подвижной с закрепленным в фокусе стирлингом, так и отдельный когенерационный агрегат для получения электроэнергии и тепла общей мощностью 9 кВт (однако, стоит отметить, что из 9 кВт только 2кВт - электроэнергия, остальные 7кВт - тепло для обогрева помещений).
Наиболее бурное развитие двигателей Стирлинга происходит в сфере военных технологий.
Быстрыми темпами создаются опытные и серийные образцы Стирлинг-установок для неатомных подводных лодок. Вот выдержка из статьи заслуженного изобретателя Российской Федерации, академика Академии военных наук, д.т.н. Кириллова Н.Г., посвященной данному вопросу:
«…наибольших результатов в разработке анаэробных установок достиг шведский концерн Kockums Submarin Systems, построивший три ПЛ класса "Gotland" типа А19 на основе двигателей Стирлинга. На ПЛ устанавливается два двигателя V4-275R по мщностью по 75 кВт. Три подводные лодки типа «Gotland» были построены фирмой Kokums в 1992 – 1996 годах. Длина субмарин – 60,4 метра, подводное водоизмещение – 1599 тонн. Экипаж – 27 человек, в том числе 5 офицеров. Вооружение: 4 Х 533-мм и 2 Х 400-мм торпедных аппарата. Скорость полного подводного хода – 20 узлов. При использовании двигателя Стирлинга лодки могут находиться под водой без подзарядки аккумуляторных батарей до 20 суток!
Самый многообещающий проект шведов связан с перспективной подводной лодкой «Викинг». Это название выбрано не случайно. В реализации проекта должны участвовать еще две скандинавские страны - Норвегия и Дания. «Кокумс», норвежская компания «Конгсберг» и датская «Оденсе столшипсваерфт» образовали консорциум для практической работы над проектом. Всего планировалось построить 12 субмарин нового поколения. По мнению ведущих специалистов, эта была бы лучшая подводная лодка XXI века. На ней планировалось установить единый двигатель Стирлинга большой мощности (ориентировочно 800 кВт).
Первыми, после шведов, перспективность анаэробных установок на основе двигателей Стирлинга поняли японцы… Для отработки технологии применения двигателей Стирлинга в 2000-2001 годах на кораблестроительной верфи «Кобе» фирмой «Мицубиси дзюкоге» были проведены работы по оснащению ПЛ «Асасио» энергетической установкой замкнутого цикла с двигателем Стирлинга.… Ходовые испытания прошли на «отлично». Поэтому уже с 2003 года японские ПЛ типа «Оясио» начали строиться с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга…
Японцы ввели новое словосочетание «стирлинг-подводные лодки»… Именно для новой ПЛ с единым двигателем фирмой “Mitsubichi” создан и прошел успешные стендовые испытания двигатель Стирлинга мощностью более 600 кВт. В качестве рабочего тела двигателя используется азот.
И наконец, последними из мировых держав, окончательный выбор по типу анаэробной установки сделали американцы. Их решение однозначное – двигатели Стирлинга.
Для этого в 2005 году ВМС США взяли в лизинг шведскую подводную лодку типа «Gotland», оснащенную вспомогательной воздухонезависимой установкой Стирлинга...»
Как можно видеть все развитые страны ударными темпами разрабатывают и внедряют Стирлинги в серийное производство. И не удивительно, при сопоставимой с ДВС мощности Стирлинг-двигатели имеют высокий крутящий момент почти на всех режимах работы, малошумны, «всеядны» в плане топлива и могут работать в любых условиях.
Специалистами NASA (Национального Аэрокосмического Агентства США) были проделаны предварительные проработки проекта создания обитаемой базы на Луне. 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. В проекте приводится подробное техническое описание реакторной установки, конструкции и теплового подсоединения двигателей Стирлинга, систем отвода тепла и распределения мощности.
К Стирлингам интерес проявляли и в России. В 1996 году на ОАО “Машиностроительный завод “АРСЕНАЛ”, в рамках договора с ГП ГОКБ “Прожектор” были начаты работы по теме “Исследование и разработка электроагрегатов на базе многотопливных двигателей Стирлинга”. Но, к сожалению, работы в данном направлении были приостановлены из-за отсутствия дальнейшего финансирования проекта.
В настоящее время в России накоплен достаточный научный потенциал для создания высокоэффективных двигателей Стирлинга. Значительные результаты были достигнуты в ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии». Специалистами были проведены теоретико-экспериментальные исследования для разработки новых методов расчета высокоэффективных двигателей Стирлинга. Основные направления работ связаны с применением двигателей Стирлинга в когенерационных установках и системах использования теплоты отработанных газов, например в мини-ТЭЦ. В результате были созданы методики разработки и опытные образцы двигателей мощностью 3 кВт.
Не менее мощное развитие получили Стирлинг-машины в области криогенной техники. Поскольку Стирлинги обратимы, на их базе создано множество холодильных машин без фреона – газа, используемого в обычных холодильных комперссорах. Данное преимущество позволило уменьшить габариты системы охлаждения и повысить ее производительность.
Холодильные машины, работающие по обратному циклу Стирлинга, наиболее эффективны в диапазоне криогенных температур (очень низкие температуры), в более высоком диапазоне температур (низкие температуры, используемые в промышленности и в быту) в настоящее время главным образом работают фреоновые парокомпрессионные холодильные машины.
Криогенные стирлинг -машины находят все большее применение в радиоэлектронных системах, где требуется мощное охлаждение, но отсутствуют условия для применения стандартных способов охлаждения (например термопарами). Некоторые фирмы, в том числе такие, как «Малакер и Хьюз эйркрафт», США (Malakar Labs Inc., Hughes Aircraft Co.) выпускают для продажи небольшие (или даже миниатюрные) криогенные машины. Эти компании совместно с Северо-Американским отделением фирмы Филипс (North American Philips Inc.), специализирующиеся на производстве миниатюрных охладителей, считают своей основной целью производство небольших криогенных машин для электронной промышленности, где они используются в основном для мощного охлаждения инфракрасных детекторов, применяемых в различных военных и гражданских целях.
Цикл Стирлинга
В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) распыленное топливо соединяется с окислителем, как правило воздухом, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь отдает свою энергию во время кратковременной фазы горения.
В двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник. Еще одним существенным различием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя.
Цикл Стирлинга основан на последовательном нагревании и охлаждении газа (его называют рабочим телом) в замкнутом объеме. Рабочее тело нагревается в горячей части двигателя, расширяется и производит полезную работу, после чего перегоняется в холодную часть двигателя где охлаждается, сжимается и снова подается в горячую часть двигателя. Цикл повторяется. Количество рабочего тела остается неизменным, меняется его температура, давление и объем. Весь цикл условно разделен на четыре такта. Условность заключается в том, что четкоге разделение на такты в цикле отсутствует, процессы переходят один в другой. Это обусловлено отсутствием в конструкции двигателей Стирлинга клапанного механизма (стирлинг-двигатели с клаппаным механизмом называются двигателями Эриксона). С одной стороны данный факт резко упрощает конструкцию, с другой стороны вносит сложность в теорию расчета. Но об этом позже.
Рассмотрим принцип работы на примере гама-стирлинга. Этот тип наиболее часто применяют в моделировании. Двигатель состоит из двух цилиндров. Большой цилиндр - теплообменный. Его задача поочередно разогревать и охлаждать рабочее тело. Для этого один торец цилиндра разогревают (на схеме он закрашен розовым цветом), другой торец - охлаждают (на схеме он закрашен синим цветом). Большой поршень выполненный из теплоизоляционного материала, свободно перемещается в теплообменном цилиндре (зазор между стенками цилиндра и поршня составляет 1-2 мм) и выполняет роль теплового клапана, пегегоняющего рабочее тело то к холодному, то к горячему торцу.
Малый цилиндр является рабочим. Поршень плотно подогнан к цилиндру.
Гамма стирлинг. Первый такт
Первый такт - такт сжатия при постоянной температуре рабочего тела:
Поршень теплообменного цилиндра находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ) и остается условно неподвижным. Газ сжимается рабочим поршнем малого цилиндра. Давление газа возрастает, а температура остается постоянной, так как теплота сжатия отводится через холодный торец теплообменного цилиндра в окружающую среду.
Под условной неподвижностью подразумевают малую высоту перемещения поршня при прохождении коленвалом расстояния вблизи верхней или нижней мертвой точки.
Гамма стирлинг. Второй такт
Второй такт – такт нагревания при постоянном объеме:
рабочий поршень рабочего цилиндра находится вблизи НМТ и полностью перемещает холодный сжатый газ в теплообменный цилиндр, поршень которого движется к верхней мертвой точки (ВМТ) и вытесняет газ в горячую полость. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, рабочее тело разогревается давление повышается и достигает максимального значения.
Это в теории. На практике прирост давления идет паралельно с выталкиванием рабочего поршня. В результате давление не достигает теоретически расчитанного максимума. Данный факт также объясняет хороший к.п.д. на малых оборотах двигателя. Рабочее тело прогревается лучше и прирост давления приближается к максимуму.
Гамма стирлинг. Третий такт
Третий такт - такт расширения при постоянной температуре газа:
поршень теплообменного цилиндра находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) и остается условно неподвижным. Поршень рабочего цилиндра под действием давления газа движется к верхней мертвой точке. Происходит расширение горячего газа в полости рабочего цилиндра. Полезная работа, совершаемая поршнем рабочего цилиндра , через кривошипно-шатунный механизм передается на вал двигателя. Давление в цилиндрах двигателя при этом падает, а температура газа в горячей полости остается постоянной, так как к нему подводится тепло от источника тепла через горячую стенку цилиндра.
В моделях двигателей Стирлинга, где теплообменный цилиндр не имеет качественного нагревателя рабочее тело разогревается не полностью, но поскольку давление в газах распространяется равномерно во все стороны его изменение оказывает действие и на рабочий поршень, заставляя его двигаться и совершать работу.
Плюсы стирлингов
- КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. Кроме того крутящий момент двигателя почти не зависит от скорости вращения коленвала. В двигателях внутреннего сгорания напротив максимальный крутящий момент достигается в узком диапазоне частот вращения.
- В конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.
- В ДВС сгорание томливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги лишены этого недостатка.
- Двигатель не будет "капризничать" из-за потери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие "двигатель заглох" не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным проворотом маховика коленчатого вала.
-Простота конструкции позволяет длительно эксплуатировать Стирлинг в автономном режиме.
- Двигатель Стирлинга может использовать любой источник тепловой энергии, начиная с дров и заканчивая ядерным топливом!
- Сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя (в отличии от ДВС), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).
- 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).
- «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.
Минусы стирлингов
- Поскольку сгорание топлива происходит вне двигателя, а отвод тепла осуществляется через стенки радиатора (напомним, что Стирлинги имеют замкнутый объем) габариты двигателя увеличиваются.
- Еще один минус - материалоемкость. Для производства компактных и мощных Стирлинг-машин требуются жаропрочные стали, выдерживающие высокое рабочее давление и в то же время, обладающие низкой теплопроводностью. Обычная смазка для Стирлингов не годится - коксуется при высокой температуре, по этому необходимы материалы с низким коэффициентом трения.
- Для получения высокой удельной мощности в качестве рабочего тела в Стирлингах используют водород или гелий. Водород взрывоопасен, при высоких температурах растворяется в металлах, образуя металлогидриды - т.е. разрушает цилиндры двигателя. К тому же водород, как и гелий обладает высокой проникающей способностью и просачивается через уплотнения подвижных частей двигателя, снижая рабочее давление.
Применение
Насосы
Эффективность систем отопления или охлаждения возрастает, если в контуре установлен насос принудительной подачи теплоносителя. Установка электрического насоса снижает живучесть системы, а в быту неприятно тем, что электросчётчик «накручивает» хоть и небольшую, но ощутимую сумму. Насос, использующий принцип двигателя Стирлинга, решает эту проблему.
Стирлинг для перекачки жидкостей может быть гораздо проще привычной схемы «двигатель-насос». В двигателе Стирлинга вместо рабочего поршня может использоваться перекачиваемая жидкость, которая одновременно служит для охлаждения рабочего тела.
Насос на основе стирлинга может служить для накачки воды в ирригационные каналы посредством солнечного тепла, для подачи горячей воды от солнечного коллектора в дом (в системах отопления теплоаккумулятор стараются установить как можно ниже, чтобы вода шла в радиаторы самотёком).
Стирлинг-насос может использоваться для перекачки химических реагентов, поскольку абсолютно герметичен.
Тепловые насосы
Тепловые насосы позволяют существенно экономить на отоплении. Обычно используются теплонасосы, приводимые в движение электричеством. Но электричество в ряде стран производится на теплоэлектростанциях, сжигающих газ, уголь, мазут, и в результате калория, полученная на таком теплонасосе оказывается не дешевле, чем полученная от сжигания газа. Агрегат, в котором совмещены двигатель Стирлинга и тепловой насос Стирлинга, делает ситуацию более благоприятной. Двигатель Стирлинга отдаёт в систему отопления бросовое тепло от «холодного» цилиндра, а полученная механическая энергия используется для подкачки дополнительных порций тепла, которое забирается из окружающей среды. Гибридный теплонасос «стирлинг-стирлинг» оказывается проще, чем композиция из двух стирлинг-машин. В агрегате совершенно отсутствуют рабочие поршни. Перепады давления, возникающие в двигателе,
непосредственно используются для перекачки тепла тепловым насосом. Внутреннее пространство агрегата герметично и позволяет использовать рабочее тело под очень высоким давлением.
Расчёты показывают, что в идеале тепловой насос «стирлинг-стирлинг» на каждую калорию сожжённого газа может добавить ещё от 3 до 10 калорий из окружающей среды. На практике эта величина оказывается меньше. Опыты по использованию таких устройств были прекращены.
Холодильная техника
Практически, все холодильники используют те же тепловые насосы. Применительно к системам охлаждения их судьба оказалась более счастливой. Ряд производителей бытовых холодильников собирается установить на свои модели стирлинги. Они будут обладать большей экономичностью, а в качестве рабочего тела будут использовать обычный воздух.
Сверхнизкие температуры
Стирлинги оказались эффективны для сжижения газов. Если не требуется огромных объёмов, то стирлинги выгоднее, чем турбинные установки.
Стирлинги выгодно применять для охлаждения датчиков в сверхточных приборах.
Подводные лодки
Преимущества стирлинга привели к тому, что ещё в первой половине 1960-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа «Шёурмен» производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шёурмены», ни последовавшие за ними «Наккены» и «Вестеръётланды» указанные силовые установки так и не получили. И только в 1988 году головная субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10 000 часов. Другими словами, именно шведы открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных двигательных установок. И если «Наккен» — первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд» стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой непрерывно до 20 суток. В настоящее время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга, а шведские кораблестроители уже хорошо отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок, путём врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка.
Аккумуляторы энергии
Можно запасать с его помощью энергию, используя в качестве источника тепла теплоаккумуляторы на расплавах солей. Такие аккумуляторы превосходят по запасу энергии химические аккумуляторы и дешевле их. Используя для регулировки мощности изменение фазного угла между поршнями, можно аккумулировать механическую энергию, тормозя двигателем. В этом случае двигатель превращается в тепловой насос.
Солнечные электростанции
Список литературы
1. “Двигатель с внешним подводом теплоты” Заявка №99110725 от 31 мая 1999 г., РФ
2. “Двигатель с внешним подводом теплоты”. Патент №2105156 от 23 июня 1995 г., РФ
3. Двигатели Стирлинга. Пер. с англ. Под ред. В.М.Бродянского. М.: Мир, 1975.
4. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга: Пер. с англ. – М.: Мир, 1986.
5. Уокер Г. Двигатели Стирлинга: Пер. с англ. – М.: Машиностроение, 1985.
6. Walker, G. (1973) Stirling-Cycle Machines, Oxford University Press
7. Personal communication from J. Alfred, NASA Johnson Space Center.
Двигатель Стирлинга сегодня
Двигатель, предложенный самим Робертом Стирлингом, имел значительные массо-габаритные характеристики и низкий КПД. Из-за сложности процессов в таком двигателе, связанных с непрерывным движением поршней, первый упрощенный математический аппарат разработан только в 1871 году пражским профессором Г. Шмидтом. Предложенный им метод расчета основывался на идеальной модели цикла Стирлинга и позволял создавать двигатели с КПД не превышающем 15%. Лишь к 1953 году голландской фирмой «Филипс» разработаны первые высокоэффективные двигатели Стирлинга, превосходящие по характеристикам двигатели внутреннего сгорания.
Мировой интерес к этому типу двигателей с того времени продвинулся из области теоретических построений в плоскость практической реализации в самых разных сферах. За рубежом уже начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки. Так, двигатели Стирлинга фирм Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling мощностью от 5 до 1 200 кВт имеют эффективный КПД более 42 %, ресурс - более 40 тыс. ч, удельную массу - от 1,2 до 3,8 кг/кВт.
В США стартовал проект создания солнечной электростанции с использованием двигателя Стирлинга в качестве прямого преобразователя теповой энергии в механическую. На фото Чак Андрака (Chuck Andraka, слева) и глава Stirling Energy Systems Боб Лиден (Bob Liden) на фоне первой установки в испытательном центре Сандия (фото с сайта sandia.gov). Теоретически КПД Стирлинга может совпадать с физическим пределом, определяемым разностью температур нагревателя и холодильника, да и на практике можно получить от стирлингов КПД порядка 70%. По расчётам авторов проекта, в теории одна ферма солнечных стирлингов, под которую отвели бы территорию 160 х 160 километров на юге США, полностью покрыла бы всю потребность страны в электроэнергии. На сегодняшний день прототипы успешно проходят испытания, но стоимость каждого еще слишком высока (более 150 тысяч долларов США), что тормозит массовое внедрение.
Подобными разработками интересуются и в Швеции. На сайте компании "Cleanergy" вниманию посетителей представлен новый концепт солнечной миниэлектростанции для получения электроэнергии. Создан как полномасштабный образец с гелиоконцентратором на подвижной с закрепленным в фокусе стирлингом, так и отдельный когенерационный агрегат для получения электроэнергии и тепла общей мощностью 9 кВт (однако, стоит отметить, что из 9 кВт только 2кВт - электроэнергия, остальные 7кВт - тепло для обогрева помещений).
Наиболее бурное развитие двигателей Стирлинга происходит в сфере военных технологий.
Быстрыми темпами создаются опытные и серийные образцы Стирлинг-установок для неатомных подводных лодок. Вот выдержка из статьи заслуженного изобретателя Российской Федерации, академика Академии военных наук, д.т.н. Кириллова Н.Г., посвященной данному вопросу:
«…наибольших результатов в разработке анаэробных установок достиг шведский концерн Kockums Submarin Systems, построивший три ПЛ класса "Gotland" типа А19 на основе двигателей Стирлинга. На ПЛ устанавливается два двигателя V4-275R по мщностью по 75 кВт. Три подводные лодки типа «Gotland» были построены фирмой Kokums в 1992 – 1996 годах. Длина субмарин – 60,4 метра, подводное водоизмещение – 1599 тонн. Экипаж – 27 человек, в том числе 5 офицеров. Вооружение: 4 Х 533-мм и 2 Х 400-мм торпедных аппарата. Скорость полного подводного хода – 20 узлов. При использовании двигателя Стирлинга лодки могут находиться под водой без подзарядки аккумуляторных батарей до 20 суток!
Самый многообещающий проект шведов связан с перспективной подводной лодкой «Викинг». Это название выбрано не случайно. В реализации проекта должны участвовать еще две скандинавские страны - Норвегия и Дания. «Кокумс», норвежская компания «Конгсберг» и датская «Оденсе столшипсваерфт» образовали консорциум для практической работы над проектом. Всего планировалось построить 12 субмарин нового поколения. По мнению ведущих специалистов, эта была бы лучшая подводная лодка XXI века. На ней планировалось установить единый двигатель Стирлинга большой мощности (ориентировочно 800 кВт).
Первыми, после шведов, перспективность анаэробных установок на основе двигателей Стирлинга поняли японцы… Для отработки технологии применения двигателей Стирлинга в 2000-2001 годах на кораблестроительной верфи «Кобе» фирмой «Мицубиси дзюкоге» были проведены работы по оснащению ПЛ «Асасио» энергетической установкой замкнутого цикла с двигателем Стирлинга.… Ходовые испытания прошли на «отлично». Поэтому уже с 2003 года японские ПЛ типа «Оясио» начали строиться с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга…
Японцы ввели новое словосочетание «стирлинг-подводные лодки»… Именно для новой ПЛ с единым двигателем фирмой “Mitsubichi” создан и прошел успешные стендовые испытания двигатель Стирлинга мощностью более 600 кВт. В качестве рабочего тела двигателя используется азот.
И наконец, последними из мировых держав, окончательный выбор по типу анаэробной установки сделали американцы. Их решение однозначное – двигатели Стирлинга.
Для этого в 2005 году ВМС США взяли в лизинг шведскую подводную лодку типа «Gotland», оснащенную вспомогательной воздухонезависимой установкой Стирлинга...»
Как можно видеть все развитые страны ударными темпами разрабатывают и внедряют Стирлинги в серийное производство. И не удивительно, при сопоставимой с ДВС мощности Стирлинг-двигатели имеют высокий крутящий момент почти на всех режимах работы, малошумны, «всеядны» в плане топлива и могут работать в любых условиях.
Специалистами NASA (Национального Аэрокосмического Агентства США) были проделаны предварительные проработки проекта создания обитаемой базы на Луне. 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. В проекте приводится подробное техническое описание реакторной установки, конструкции и теплового подсоединения двигателей Стирлинга, систем отвода тепла и распределения мощности.
К Стирлингам интерес проявляли и в России. В 1996 году на ОАО “Машиностроительный завод “АРСЕНАЛ”, в рамках договора с ГП ГОКБ “Прожектор” были начаты работы по теме “Исследование и разработка электроагрегатов на базе многотопливных двигателей Стирлинга”. Но, к сожалению, работы в данном направлении были приостановлены из-за отсутствия дальнейшего финансирования проекта.
В настоящее время в России накоплен достаточный научный потенциал для создания высокоэффективных двигателей Стирлинга. Значительные результаты были достигнуты в ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии». Специалистами были проведены теоретико-экспериментальные исследования для разработки новых методов расчета высокоэффективных двигателей Стирлинга. Основные направления работ связаны с применением двигателей Стирлинга в когенерационных установках и системах использования теплоты отработанных газов, например в мини-ТЭЦ. В результате были созданы методики разработки и опытные образцы двигателей мощностью 3 кВт.
Не менее мощное развитие получили Стирлинг-машины в области криогенной техники. Поскольку Стирлинги обратимы, на их базе создано множество холодильных машин без фреона – газа, используемого в обычных холодильных комперссорах. Данное преимущество позволило уменьшить габариты системы охлаждения и повысить ее производительность.
Холодильные машины, работающие по обратному циклу Стирлинга, наиболее эффективны в диапазоне криогенных температур (очень низкие температуры), в более высоком диапазоне температур (низкие температуры, используемые в промышленности и в быту) в настоящее время главным образом работают фреоновые парокомпрессионные холодильные машины.
Криогенные стирлинг -машины находят все большее применение в радиоэлектронных системах, где требуется мощное охлаждение, но отсутствуют условия для применения стандартных способов охлаждения (например термопарами). Некоторые фирмы, в том числе такие, как «Малакер и Хьюз эйркрафт», США (Malakar Labs Inc., Hughes Aircraft Co.) выпускают для продажи небольшие (или даже миниатюрные) криогенные машины. Эти компании совместно с Северо-Американским отделением фирмы Филипс (North American Philips Inc.), специализирующиеся на производстве миниатюрных охладителей, считают своей основной целью производство небольших криогенных машин для электронной промышленности, где они используются в основном для мощного охлаждения инфракрасных детекторов, применяемых в различных военных и гражданских целях.
Конструкци двигателей Стирлинга
В процессе истории развития стирлинг машин появилось множество конструкций и модификаций двигателей Стирлинга. Во всех машинах Стирлинга имеются две полости, находящиеся при разных температурных уровнях и соединяющиеся посредством регенератора. Эти узлы можно компановать в множество различных систем. Единственный критерий, устанавливающий их характерную особенность - управление потоком рабочего тела. Все стирлинг-машины, имеющие для этой цели клапана называются стирлинг-машинами Эриксона (в рамках данного сайта они не рассматриваются). Двигатели, не имеющие клапанов и управляющие рабочим телом посредством изменения его теппературы и объема можно назвать истинными Стирлингами.
Мы кратко пройдемся по упрощенной классификации, рассмотрев альфа-тип, бета-тип и гамма-тип, а также рассмотрим нестандартные типы стирлинг-машин.
infopedia.su
engineering_ru — 10.08.2016
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.
yablor.ru
