Теория работы двигателя стирлинга

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.

Читайте также:  Какой двигатель detroit diesel

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.

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.

Читайте также:  Какой ток на аккумуляторе при запуске двигателя

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.

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.

Читайте также:  Сколько весит двигатель 4g63

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

Оцените статью