Двигатель стирлинга как холодильная машина

Двигатель Стирлинга

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина , в которой рабочее тело, в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания . Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива , но и от любого источника тепла.

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века , задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление узла, который он назвал «эконом».

В современной научной литературе этот узел называется « регенератор ». Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего регенератор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло регенератору, а при движении в другую сторону отбирает его. Регенератор может быть внешним по отношению к цилиндрам, а может быть размещён на поршне-вытеснителе в β- и γ-конфигурациях. В последнем случае размеры и вес машины оказываются меньше. Частично роль регенератора выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра (при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются значительные потери из-за вязкости газа). В α-стирлинге регенератор может быть только внешним. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

В 1843 году его брат, Джеймс Стирлинг, использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма « Филипс » инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

Источник

Холодильник из стирлинга или всё наоборот

Многие знают что такое двигатель Стирлинга и каковы его преимущества. Есть много литературы, чертежей и готовых устройств. Но почему-то совсем мало информации на тему холодильных качеств сего устройства. Ведь двигатель Стирлинга это обратимая машина. Если приложить к ней тепло с одной стороны, а холод с другой, то мы получим механическую энергию, а если приложить к Стирлингу механическую энергию, то мы сделаем одну сторону двигателя холодной, а другую горячей. Это свойство можно использовать как холодильную машину или попросту холодильник. Ещё один вариант использования — тепловой насос . Для удобства расчёта эффективности холодильника вы можете воспользоваться статьёй Калькулятор расчёта эффективности (КПД) теплового насоса .

Принцип действия холодильника на базе двигателя Стирлинга

Первый этап это максимальное давление рабочего газа. Рабочий поршень находится в ВМТ. Весь газ вытеснен из холодной зоны, т.е. из верхней части цилиндра. При постоянном объёме увеличилось давление, а значит и увеличилась температура рабочего тела. Поэтому избыточное тепло через стенки горячей области (нижняя часть цилиндра) сбрасывается в атмосферу, тем самым уменьшая свою температуру.

Чем выше степень сжатия газа, тем большее тепло можно отдать в окружающую среду. Но и в свою очередь необходимо прилагать большее усилие для сжатия рабочего тела. И ещё, что более важно, необходимо делать более мощную систему охлаждения для горячей части цилиндра. Как и в двигателях стрирлинга, в холодильниках очень большую роль играют теплообменники.

Этап 2. Начало уменьшения давления

Во втором этапе рабочий поршень начинает перемещаться вниз рабочего цилиндра. Это уменьшает давление газа и тем самым уменьшает его температуру. Полезная работа на это не тратится, так как давление в рабочем цилиндре всё ещё избыточное и оно больше, чем в картере холодильника стирлинга. В многоцилиндровых машинах это является положительным фактором, так как рабочий поршень помогает повышать давление в другом цилиндре. который отличается в такте на 180°.

Вытеснитель всё ещё находится в ВМТ (верхней мёртвой точке). Сброс тепла в окружающую среду уменьшается. При этом падает температура и в регенераторе. Также температура начинает стремительно снижаться в обоих частях теплообменников, в горячей его части и, соответственно, в холодной. Тем самым предвещая начала ещё большего остывания холодной части цилиндра.

Этап 3. Перемещение рабочего газа в холодную зону

В третьей части такта (3 этап) рабочий цилиндр достиг своей НМТ (нижней мёртвой точки). Т.е. давление в цилиндре почти минимальное. И для приближения поршня к НМТ необходимо было приложить некоторую энергию. Так как из-за сброса потенциального тепла мы потеряли часть энергии, а когда максимально уменьшили давление, то оно оказалось меньше, чем в картере холодильника.

Вытеснительный поршень начал своё движение из ВМТ. При этом рабочее тело начинает вытесняться из горячей области в холодную, проходя поочерёдно через нагреватель, регенератор и холодильник. А так как они сильно снизили свою температуру на 2 этапе, то газ ещё больше остывает.

Читайте также:  Как правильно обкатать лодочный двигатель

Этап 4. Максимальное остывание холодной части цилиндра

Четвёртый этап — минимальная температура в холодильнике. В данной части положение положение обоих поршней (и рабочего и вытеснительного) находятся в НМТ. Давление в системе минимальное и, соответственно температура тоже минимальна.

Весь рабочий газ находится в холодной области цилиндра. А рабочий поршень и вытеснитель (дисплейсер) уже начинают устремляться вверх.

Как только оба поршня пойдут к ВМТ, давление станет снова возрастать и достигнет своего максима. И снова всё повторится, начиная с первого этапа.

А кому интересны данные темы, предлагаю подписаться на новые статьи (в правом сайтбаре).

Источник

Двигатель стирлинга. 100 000 часов непрерывной работы.

Всем привет. Из своих личных наблюдений я заметил, что людей, знающих основы работы 4-ёх тактного двигателя внутреннего сгорания больше, чем людей, знающих принципы окислительных реакций в организме человека. Но почему-то о таком мастодонте двигательной индустрии как двигатель Стирлинга или двигатель внешнего сгорания, знает мало кто. Сегодня мы этот пробел и восполним. А для ленивых как всегда есть видео.

Для начала совсем немного истории. Патент на данный двигатель принадлежит Шотландскому священнику Роберту Стирлингу, и получил он его более двухсот лет назад в 1816-м году. Идея подобных двигателей была не нова. Но именно Стирлинг дополнил его особым приспособлением, которое сам называл «Эконом», а в современной литературе его обзывают «регенератор».

Идея сделать двигатель мучала Роберта из-за альтруистических побуждений. Ему было жалко рабочих, которые гибли словно мухи при взрывах распространённых на тот момент паровых двигателей. А взрывались они достаточно часто и сильно, да ещё и паром обжигали всех подряд. Вот такой был хороший дядечка. Ну а теперь давайте попробуем разобраться в принципе работы двигателя Стирлинга. (на этом моменте всё же порекомендовал бы посмотреть видео, там наверно понятней будет)

Для начала возьмём цилиндр схожий с консервной банкой, запаянный снизу, а сверху поместим в него плотно прилегающий поршень. Затем начнём этот цилиндр нагревать, огнём например. Температура воздуха повышается, давление растёт, и начинает толкать поршень вверх.

Казалось бы что всё хорошо, но мы понимаем, что для обеспечения цикличности работы, нужно воздух охладить и снова сжать. Поэтому поднимаясь, поршень оголяет место подальше от источника огня, в котором мы поставим вокруг цилиндра радиаторы.

Но вот загвоздка, Воздух циркулирует слишком медленно внутри цилиндра, и не хочет подниматься вверх сам по себе, чтобы там охладится. Для этого в двигателях Стирлинга, есть второй поршень. Он не герметично расположен внутри цилиндра, а его цель просто перемешать воздух.

Когда внешний поршень максимально оголяет радиаторы, внутренний поршень занимает полость внизу – поближе к источнику огня, заставляя воздух перемещаться к радиаторам и охлаждаться. После этого внешний поршень сжимает уже охлаждённый газ, а внутренний поршень поднимается и освобождает место у огня. Далее цикл повторяется.

Этот самый радиатор и есть придумка Стирлинга, которая называется регенератор.

В целом это всё. Остальное частности. Конечно, есть много других модификаций двигателя Стирлинга, но для понимания принципа его работы этого достаточно.

В XIX веке двигатель активно использовали, а труды Роберта продолжил его брат Джеймс Стирлинг. Создав в 1843 году, на заводе Philips двигатель мощностью в 200 лошадиных сил. Затем, к началу ХХ века, одеяло первенство перетянули окончательно и бесповоротно двигатели внутреннего сгорания, которыми мы с вами сейчас и пользуемся.

Но многие компании, в том числе Philips и General Motors, продолжали создавать как прототипы, так и действующие модели этих двигателей, а шведы так и вообще наладили их производство и все подводные лодки ВМФ Швеции оборудованы именно «стирлингами». Давайте попробуем разобраться, почему их забросили в начале века, и для чего к ним возвращаются вновь.

Почему на замену «стирлингам» пришли двигателя внутреннего сгорания понять нетрудно, просто на тот момент они были более экономичные и выдавали большую мощность. Но технологии не стояли на месте, выдумывались новые сплавы и материалы. Это положительно сказывалось на производительности двигателей. Но все как-то уже привыкли к ДВС, и не хотели возвращаться к «стирлингам».

А вот компания Philips решила вернуться, и с 40 годов прошлого века вела довольно активные разработки в этом направлении. Их двигатели были установлены в общественном транспорте в Швеции. Ну а теперь давайте посмотрим, чем же двигатель Стирлинга лучше, чем старый добрый ДВС.

1. Двигатель работает без вибрации. Точнее она есть но её амплитуда в современных моделях составляет меньше 0,0000038 м (3,8 мкм). Говорят, что трудно понять работает двигатель или нет, даже если прикоснутся к нему ладонью.

2. Современные «стирлинги» имеют потенциальный и практический КПД выше, чем ДВС. Да что там говорить, вы только представьте, современный бензиновый двигатель, имеет КПД, 20-25 процентов. Это значит, что из каждых 10 заправленных вами литров бензина, только 2 литра работают, остальные просто греют воздух. А Джеймс Стирлинг смог достигнуть фантастического КПД в 30% почти 200 лет назад, в 1834.

3. Двигатель имеет широкий диапазон изменения частоты вращения, что позволяет использовать более простую коробку передач. 2-3 передачи.

4. Практически отсутствует расход масла, необходимость в его замене появляется крайне редко.

5. Из-за того, что внутри двигателя ничего не взрывается, у него гораздо выше ресурс работы. Простота конструкции и отсутствие многих «нежных» узлов позволяет «стирлингу» обеспечить небывалый для других двигателей запас работоспособности в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.

Читайте также:  Регулятор оборотов двигателя 220 вольт асинхронный

6. Двигатель неприхотлив, и не боится грязи, пыли или любых солей в воздухе.

7. Ну и конечно всеядность двигателя. От сушёного навоза до урана. Неважно что в него заправлять. Главное, чтобы температура у нагревателя была больше, чем у охладителя.

Так же отдельно отмечу такую вещь как экологичность двигателя. В «стирлингах» проще выжечь всё топливо, тогда как в ДВС, этого сделать нельзя, приходится использовать различного рода каталитические нейтрализаторы (автолюбители их называют катализаторы).

Ну и почему же тогда при всех этих невероятных достоинствах, мы все ещё до сих пор не используем «стирлинги», спросите вы. Ну, потому что у них, конечно, есть недостатки, куда же без них. Первый и наверно самый главный недостаток — это их цена. В производстве они дороже, чем испытанные практикой ДВС. Они большие – это ещё один недостаток. Никак пока не получается сделать миниатюрную модель, с хорошим КПД, и высокой мощностью. Да и вообще отношение килограмма массы двигателя к выдаваемой мощности пока оставляет желать лучшего.

Так же очень спорный момент конструкции двигателя. Дело в том, что простую, но работающую модель «стирлинга» можно собрать дома в прямом смысле слова из консервных банок и воздушных шариков. Разумеется, КПД такой модели никогда не приблизится к промышленной, но всё же простота поражает. С другой стороны, конкурентоспособная модель двигателя собирается из очень дорогих сплавов и материалов, да и сам процесс довольно трудозатратен. Вместо воздуха, например используют водород или гелий под давлением более 100 атм.

Ну и пару слов в формате «чуть не случилось». В 60-70-е годы национальный институт сердца США спонсировал исследовательские работы по созданию искусственного сердца, в виде миниатюрного двигателя Стирлинга. В качестве источника питания выступал радиоактивный изотоп, излучающий в основном альфа-частицы (самый безвредный вид радиации). Но в последствии проект свернули.

NASA, всё заявляет о том что разработали двигатель Стирлинга на изотопах плутония 238. Установка весом всего в 1,3 кг, способна работать несколько лет. Правда мощность этого прототипа постоянно меняется. В 2012 году они говорили о 140 ватах. Теперь только 80. В качестве основного источника питания этот двигатель не используется, а вот как дополнительный уже не раз бывал на орбите.

На этом у меня всё, спасибо что дочитали. Всем бобра.

Источник

Современный двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга альтернативный источник электричества и тепла

Генерация электроэнергии почти всегда связана с появлением побочного продукта – тепла. Даже фотоэлементы нагреваются, что снижает их КПД. Однако есть целый кластер устройств, в которых тепло не рассеивается, а может быть использовано для бытовых нужд. Сердце таких генераторов – двигатель Стирлинга.

Двигатель внешнего сгорания

Базовое отличие двигателя Стирлинга в том, что топливо сгорает не внутри цилиндра, а снаружи. Следовательно, внутреннее пространство остаётся герметичным и идеально чистым, без нагара и необходимости его обслуживания. Работает он практически бесшумно, так как нет детонации обогащённой топливной смеси.

Остальные достоинства можно обозначить так:

  • Абсолютная экологическая безопасность.
  • Простейшая конструкция обеспечивает высокую надёжность.
  • Чрезвычайно высокий моторесурс.
  • Всеядность по отношению к источнику тепла.
  • Очень высокий КПД.

Обеспечить более полное сгорание топлива гораздо легче снаружи цилиндра, чем внутри. Нагрев можно проводить не только углеводородными энергоносителями, но энергией Солнца , используя высокотемпературные солнечные концентраторы . В такой комбинации, КПД альтернативного генератора электроэнергии превышает 30%!

Для сравнения – лучшие серийные фотоэлементы демонстрируют КПД только 24%. Именно бесшумность была решающим фактором для установки двигателя Стирлинга на подводные лодки последних серий в Японии и Швеции.

В середине 80-х годов 20-го века, в США собрали и установили двигатель Стирлинга в автомобиль Chevrolet Celebrity!(Chevrolet Celebrity MOD 2 Stirling)

Результаты были поразительны: глушитель, смазка и катализаторы были уже не нужны, экономия топлива достигала 45%, а ускорение практически не изменилось.

Но у них есть и недостатки.

Для получения максимально достижимого на практике КПД, необходимо обеспечить очень высокую разницу температур в холодной и горячих частях цилиндра. В противном случае, снижается «удельная мощность».

Идеальным рабочим телом (газом) является водород, но его молекулы настолько малы, что им удаётся «напитывать» материал цилиндра. Следующий по эффективности газ – гелий, но он дорогой. А КПД снижается на 5%. Но можно использовать и азот, и аммиак, и даже осушенный воздух. Но мощность будет ниже идеальной.

Серийные генераторы и микроТЭЦ на двигателе Стирлинга

Однако все эти недостатки не помешали фирме «Филипс» (Philips Stirling Engine), создать для массового производства проект переносного электрогенератора Стирлинга модель MP1002CA ещё в начале 50-х годов.

Он был предназначен для работы от любого горючего, вплоть до пальмового масла, и генерировал 0,2 кВт электроэнергии. Обиходное название – « Генератор для бунгало». Но к моменту производства, выяснилось, что он не может конкурировать по стоимости с аналогами на двигателе внутреннего сгорания. Поэтому их выпустили не более пятнадцати дюжин. И те разошлись по учебным заведениям, для наглядной демонстрации.

В наше время небольшие фирмы разрабатывают аналогичные устройства. Например в г. Магнитогорске, фирма «ЭНЕРГОТОНИКА» выпускает многотопливный мини теплоэлектрогенератор с двигателем Стирлинга ГДС-150.

Его масса всего 37 кг, он может работать на любом топливе, хоть на дровах, хоть на газе.

Читайте также:  Сколько литров залить масла в двигатель рено флюенс

В режиме 7/24 работает несколько месяцев. Но в таком режиме он вырабатывает 0,2 кВт электричества + тепло для отопления. На короткий промежуток устройство выдаёт до 1кВт.

К коттеджу такой источник альтернативной энергии не подключишь, а вот в лесной заимке, охотничьей сторожке, на рыбацком стане или в избушке лесника, или для кемпинга ГДС-150 будет вписываться идеально.

Для частного жилого дома «ЭНЕРГОТОНИКА» под заказ выпускает микроТЭЦ «АМТЭС-5/25ДО». Работает она на дровах (опилки, щепки, стружка), выдаёт в час 5 кВт электроэнергии и 25 кВт тепла, стоит 850 т.р.

Корейская фирма выпускает аналогичное устройство Navien Hybrigen SE.

Работает он на газе, и производит только 1 кВт электричества, а по цене гораздо дороже — 1,07 млн. р.

Немцы выпускают микроТЭЦ VITOTWIN 300-W Mikro-KW. Используя только газ, установка выдаёт 1 кВт электрической энергии и 6 кВт тепла. Стоит более 20,5 т. евро.

Обратите внимание, что все эти микроТЭЦ работают на двигателе Стирлинга. Только в западных странах они называются «m-CHP»

Сложности отечественного производителя

По техническим параметрам, российские микро ТеплоЭлектростанЦии на двигателе Стирлинга ни чем не уступают иностранным аналогам, а даже превосходят их по «всеядности». В ценовом сегменте они тоже выигрывают, но при внимательно изучении, оказывается, что стоимость может быть снижена в 3-5 раз!

Руководитель фирмы «ЭНЕРГОТОНИКА» Виктор Закомолдин дал довольно подробное объяснение. Оказывается в России абсолютно разрушены все производственные мощности, которые раньше выпускали простейшие комплектующие для дизельных двигателей и другие мелкие детали. Закупать их приходится в Китае. А доставка с растаможкой увеличивает стоимость в 7-10 раз! Политика Господдержки, объявленная правительством, оказалась фикцией.

При выходе на серийное производство из отечественных комплектующих, стоимость всей выпускаемой продукции будет снижена в 3,5-5 раз! Какая может быть тогда конкуренция, у немецкой m-CHP ценой 1,7 млн. руб, с отечественной микроТЭЦ за 300 т.р., если по техническим характеристикам Российский аналог уже вышел в отрыв.

Ведь работая в режиме максимальной производительности, магнитогорский микрогенератор АМТЭС-5/25ДО
потребляет всего 10 кг опилок и древесной щепы в час! выдавая 5 кВт элетроэнергии и 25 кВт тепла. Фактически — золотая жила

С такой микроТЭЦ на двигателе Стирлинга, жильё станет на 100% энергонезависимым. Например, можно поставить коттедж в поле, и к нему не надо будет тянуть линию электропередач и газопровод! А одна проектная разработка этих коммуникаций будет стоить гораздо больше миллиона. Впоследствии, предстоит оплачивать постоянно растущие тарифы на газ и электроэнергию.
В составе магнитогорской микроТЭЦ, имеется бункер на 0,7 куб. м. Одной полной загрузки хватает на 2 суток беспрерывной работы. Тепло можно использовать не только для отопления жилья, но и для бани, хранить в теплоаккумуляторе.
И главное ничего не надо изобретать! Всё уже имеется, но крупные заказчики ориентированы на углеводородные энергоносители, и привязку потребителя к центральным энергосетям.

Может быть после окончания эпидемии коронавируса COVID-19, ситуация начнёт исправляться. Но пока до 70% деталей закупается в Китае, изменений ждать не приходится.

Альтернативные источники тепла для генератора Стирлинга

Скрупулёзное изучение разных подходов в генерации электричества с использованием альтернативных источников энергии вскрыли любопытную особенность. Оказывается, что при комбинации высокотемпературных солнечных концентраторов с двигателем Стирлинга, КПД системы повышается до 34%!

Начиная с 2005 года, сначала в США, затем в Испании и даже в Великобритании, начали устанавливать альтернативные генераторы электричества , для которых не требовались такие высокотехнологичные материалы как фотоэлементы. Схематично такую конструкцию можно представить как параболическое зеркало, в фокусе которой помещали генератор на двигателе Стирлинга.

Эффект был потрясающий! Такое сочетание простейших устройств практически не имело недостатков:

  • Бесшумность работы;
  • Отсутствие любых выбросов в атмосферу;
  • Двигатели не требуют обслуживания;

Для работы в ночное время, разработчики придумали хитрую систему накопления избыточной тепловой энергии в локальных подземных теплоаккумуляторах .

Нагретый теплоноситель закачивается в небольшие подземные хранилища с высокой степенью теплоизоляции в течении светового дня. Ночью по системе изолированных трубопроводов этот теплоноситель подаётся на рабочий цилиндр генератора Стирлинга, и генерация не останавливается. Производительность снижается почти на 50%, но выработка электроэнергии идёт безостановочно круглые сутки!

Преимущество перед солнечными панелями проявлялось и в стабильности работы при переменной облачности. Ведь если Солнце закрывается облаками, то фотоэлементы резко снижаются производительность, а альтернативный генератор Стирлинга продолжает работать.

Одна такая солнечная тарелка Стирлинга на пике вырабатывает 34 кВт электроэнергии. Компания United Sun Systems с 2015 года выпустила более 20 тысяч таких устройств. Успешно функционируют серьёзные электростанции, например Imperial или Calico, которые генерируют более 800 МВт электроэнергии с самой низкой себестоимостью.

Некоторые из выпускаемых конструкцию, например SunCatcher, хорошо масштабируются, и небольшие солнечные тарелки Стирлинга мощностью 3-5 кВт устанавливаются на крышах зданий с 2010 года.

Альтернативный генератор Стирлинга в свой дом

Этот сегмент альтернативной энергетики практически не освоен на постсоветском пространстве. Сказывается политика правительства, которая препятствует развитию на практике альтернативной энергетики. Упор делается на нефтегазовый сектор, как в колониальных странах.

Для личных нужд, умельцы такую перспективную комбинацию начнут рассматривать в ближайшее время. Сразу, как только окончится переформатирование страны, скрытой под маской коронавирусной эпидемии COVID-19.

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на канал и ставить « палец вверх «, если статья Вам понравилась!

Источник

Adblock
detector