Как работает стирлинг
Итак, что это такое и как это работает.
Скажу сразу, что бы въехать в эту тему понадобится не мало времени, я сам не всё сразу понял, хотя казалось, что сложного ничего и нет. Снаружи всё просто и понятно пока не копнёшь глубже, где и спрятано все интересное. Выход здесь только один, если что то не понятно сразу — читай и смотри дальше, со временем всё прояснится, по крайней мере так было со мной.
Нус приступим, признаться я не могу и не буду описывать всё это хитро-научно-рефератным языком, на мой взгляд это отпугивает людей, всё нужно излагать по простому не выдумывая всяких там формул и мало кому известных понятий. Наличия высшего образования тоже не потребуется всё легко укладывается в школьную программу, а множество схем и простых поясняющих картинок максимально облегчит понимание.
Стирлинг — это устройсво преобразующее тепловую энергию в механическую ну как двигатель, с тем лиш отличием, что эта тепловая энергия приходит к нему из вне, а не производится им непосредственно(как это происходит например в двигателе внутреннего сгорания). Это и есть его самое уникальное и замечательное свойство отличающее его от всех остальных машин. Да, ну и само собой такое название Стирлинг пошло от фамилии человека который всё это первый придумал, кто заинтересуется историей этого вопроса может нарыть в интернете кучу инфы, меня лично это мало волнует.
Понять его устройство можно на примере ряда картинок ниже.
Допустим мы имеем какой то замкнутый объем воздуха в жестком корпусе с эластичной мембраной (или поршнем по другому). Нагревая корпус двигателя воздух внутри расширится и совершит работу, выгибая мембрану наружу. И наоборот охлаждая корпус мембрана вогнется, опять совершив работу. Вот и весь цикл, проще не придумаеш, осталось только «автоматизировать» этот процес.
Для этого внутри корпуса двигателя размещается так называемый поршень вытеснитель(на рисунке он зелёненький с нерусским словом), смысл этого девайса в том что он должен перегонять оставшийся в корпусе воздух от горячей области внизу к охлаждаемой вверху. На рисунке видно что сам поршень вытеснитель занимает собой почти половину объёма внутренней полости двигателя, в виде такого диска, не плотно прилегающего к стенкам. Через этот зазор воздух перетекает из горячей полости в холодную и обратно.Надо сказать что сам этот поршень в идеале должен быть лёгким и плохо проводящим тепло, поскольку он фактически разделяет собой гарячую и холодную области внутри двигателя.
Ну а дальше уже всем знакомая кривошипно-шатунная схема связывает вытеснитель и мембрану(или рабочий поршень) на одной оси вращения,что обеспечит нам цикличность процесса т.е. поднятие и опускание поршней. (внимательно изучайте картинки включайте воображение)
Ещё одна важная деталь на которую нужно обратить внимание заключается в том что рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя(у нас на рисунке как вы могли заметить вращение происходит против часовой стрелки). Это идеальный вариант соединения для такой схемы. Попытайтесь проиграть каждую картинку по очереди, представить что происходит сдавлением воздуха внутри двигателя и как всё это преобразуется в возвратно-поступательное движение.
Надо ещё признать, что на схеме, а именно на оси , отсутствует одна важная деталь — это маховик, он то и поддерживает весь цикл вращения.
НЕ отчаивайтесь если сразу не всё понятно, я сам помню долго въезжал, в своё время, а некоторые моменты полностью понял только когда собрал свой первый стирлинг. Главное начать, и если не потеряете интерес, то разберётесь, а я на других примерах надеюсь помогу вам, ибо здесь на самом деле масса хитрых моментов.
Более подробно о всех типах стирлингов, принципе их работы и как их можно сделать самому — я изложил в форме серии видеоуроков , которые можно посмотреть ЗДЕСЬ
Вот например таже схемка но уже в движении, теперь я думаю будет несколько понятнее. Причем это фактически разрез реальной рабочей модели, жаль правда что только в одном боковом виде.
А вот еще одна конструкция где видно как рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя, также присутствует маховик.
Или вот ещё пример.
Всё это были примеры низкотемпературных двигателей, так сказать моделек, игрушек, поясняющих принцип работы. Промышленные стирлинги которые используются в разных целях, от генерации электроэнергии, до говорят, движения подводных лодок выглядят совершенно по другому (будем рассматривать их в других разделах сайта). Но принцип всегда остаётся темже — нагрев и охлаждение замкнутого объема воздуха, а ещё лучше водорода или гелия (короче рабочего тела по другому).
Вообще Стирлинги делят на три типа, альфа, бетта, гамма.
Красным помечена нагреваемая область, синим охлождаемая
Ещё пару мультиков для представления работы альфа и бетта стирлингов соответственно.
и ещё бетта тип, кинематика
А вот полная деталировка — всё по полочкам, гамма версия.
а это анимация стирлинга бетта типа
—————————————————————————————————
А вот маленький Стирлинг охлаждает своей работой какой-то чип на материнской плате, интересное применение.
Вот видео его работы http://www.youtube.com/watch?v=LQQMkz6uPs0
http://www.youtube.com/watch?v=OqqeR4ZRx6w&feature=related помоему потресающе
Зато есть принципиальная схема этого девайса
_______________________________________________________
А вот как на практике выглядит бетта тип с ромбическим механизмом, ну очень хитрая штука и самому такую извоять весьма проблематично, но для общего развития нужно иметь представление. Дальше в рубриках по конкретным типам двигателей я буду более подробно останавливаться, а пока просто поверьте, что технических вариантов исполнения этого двигателя просто немеренно, этим он и интересен.
а это его кинематическая модель
———————————————————————————
А такая занятная игрулина вызовет массу приятных эмоций у любого человека не взирая на возраст. Это свободнопоршневой Стирлинг, работает от тепла чашки с горячим чаем, его мы тоже рассмотрим подробнее здесь.
Ну вот и всё вступление, для начала. Дальше в рубриках, по каждому типу двигателей, будет более подробно о них расказано и показано, есть много интересного видео, без просмотра которого невозможно полноценно оценить всю прелесть этих устройств. Не переключайтесь… всё только начинается.
Так в чем же проблемы изготовления двигателя Стирлинга с высоким КПД?: engineering_ru — LiveJournal
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.
ТОП 10: |
⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 6 Цикл Стирлинга считается непременной принадлежностью именно двигателя Стирлинга. В то же время, детальное изучение принципов работы множества созданных на сегодняшний день конструкций, показывает, что значительная часть из них имеет рабочий цикл, отличный от цикла Стирлинга. Например, альфа-стирлинг с поршнями разного диаметра имеет цикл, более похожий на цикл Эрикссона. Бета- и гамма-конфигурации, имеющие достаточно большой диаметр штока у поршня-вытеснителя, также занимают некое промежуточное положение между циклами Стирлинга и Эрикссона. При движении вытеснителя в бета-конфигурации изменение состояния рабочего тела происходит не по изохоре, а по наклонной линии, промежуточной между изохорой и изобарой. При некотором отношении диаметра штока к общему диаметру вытеснителя можно получить изобару (это отношение зависит от рабочих температур). В этом случае поршень, который ранее был рабочим, играет лишь вспомогательную роль, а настоящим рабочим становится шток вытеснителя. Удельная мощность такого двигателя оказывается примерно в 2 раза большей, чем в привычных стирлингах, ниже потери на трение, т. к. давление на поршень более равномерно. Схожая картина в альфа-стирлингах с разным диаметром поршней. Двигатель с промежуточной диаграммой может иметь нагрузку, равномерно распределённую между поршнями, т. е. между рабочим поршнем и штоком вытеснителя. Важным преимуществом работы двигателя по циклу Эрикссона или близкому к нему является то, что изохора заменена на изобару или близкий к ней процесс. При расширении рабочего тела по изобаре не происходит никаких изменений давления, никакого теплообмена, кроме передачи тепла от рекуператора рабочему телу. И этот нагрев тут же совершает полезную работу При изобарном сжатии происходит отдача тепла рекуператору. Конфигурация Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:
Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.
Также существуют разновидности двигателя Стирлинга не попадающие под вышеуказанные три классических типа:
Недостатки
Преимущества Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.
Применение
Двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим компактный преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины. Термоакустика – раздел физики о взаимном преобразовании тепловой и акустической энергии. Он образовался на стыке термодинамики и акустики. Отсюда такое название. Наука эта очень молодая. Как самостоятельная дисциплина она возникла в конце 70-х годов прошлого века, когда швейцарец Никалаус Ротт закончил работу над математическими основами линейной термоакустики. И всё же она возникла не на пустом месте. Её возникновению предществовали открытия интересных эффектов, которые мы просто обязаны рассмотреть.
Первые официальные записи о колебаниях, порождаемых теплом, сделаны Хиггинсом в 1777 г. Он экспериментировал с открытой стеклянной трубкой, в которой акустические колебания возбуждались с помощью водородной горелки, расположенной определённым образом. Этот опыт вошёл в историю, как «поющее пламя Хиггинса».
Рисунок 1. Поющее пламя Хиггинса
Рисунок 2. Трубка Рийке. горения пороховых шашек до ракетных двигателей. Явлениям, протекающим в трубке Рийке посвящены тысячи диссертаций во всём мире, но интерес к этому устройству не ослабевает до сих пор.
В 1850 г. Сондхаусс обратился к странному явлению, которое наблюдают в своей работе стеклодувы. Когда шарообразное утолщение из горячего стекла гонит воздух в холодный конец трубки стеклодува, генерируется чистый звук. Анализируя явление, Сондхаусс обнаружил, что звук генерируется, если нагревать шарообразное утолщение на конце трубки. При этом звук изменяется с изменением длины трубки. В отличие от трубки Рийке трубка Сондхаусса не зависела от конвективной тяги.
Рисунок 3. Трубка Сондхаусса.
Вихревой эффект
Вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect) — эффект разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре — закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в другую сторону, чем на периферии. Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 20-х годов при измерении температуры в промышленном циклоне. В конце 1931 г Ж.Ранк подает заявку на изобретенное устройство, названное им «Вихревой трубой» (в литературе встречается как труба Ранке). Получить патент удается только в 1934 году в Америке (Патент США № 1952281). В настоящее время реализован ряд аппаратов, в которых используется вихревой эффект, вихревых аппаратов. Это «вихревые камеры» для химического разделения веществ под действием центробежных сил и «вихревые трубы», используемые как источник холода. С 1960-х годов вихревое движение является темой множества научных исследований. Регулярно проводятся специализированные конференции по вихревому эффекту, например, в Самарском аэрокосмическом университете. Существуют и применяются вихревые теплогенераторы[1] и микрокондиционеры.[2] В этом мире есть вещи гениальные, непостижимые и совершенно нереальные. Настолько нереальные, что кажутся артефактами из некой параллельной Вселенной. К числу таких артефактов наряду с двигателем Стирлинга, вакуумной радиолампой и чёрным квадратом Малевича в полной мере относится т.н. «турбина Тесла». Всё это в полной мере относится и к турбине Тесла. Конструктивно она представляет собой несколько (10-15) тонких дисков, укреплённых на оси турбины на небольшом расстоянии друг от друга и помещённые в кожух, напоминающий милицейский свисток.
Не стоит и объяснять, что дисковый ротор намного более технологичен и надёжен, чем даже «колесо Лаваля», я уж молчу о роторах обычных турбин. Это первое достоинство системы. Второе состоит в том, что в отличие от других типов турбин, где для ламинаризации течения рабочего тела необходимо принимать специальные меры. В турбине Тесла рабочее тело (которым может быть воздух, пар или даже жидкость) течёт строго ламинарно. Поэтому потери на газодинамическое трение в ней сведены к нулю: КПД турбины составляет 95%. Правда следует иметь в виду, что КПД турбины и КПД термодинамического цикла — несколько разные вещи. КПД турбины можно охарактеризовать, как отношение энергии, преобразуемой в механическую энергию на валу ротора турбины к энергии рабочего цикла (то есть разнице начальной и конечной энергий рабочего тела). Так КПД современных паровых турбин так же весьма высок — 95-98%, однако КПД термодинамического цикла в силу ряда ограничений не превышает 40-50%. Принцип действия турбины основан на том, что рабочее тело (допустим — газ), закручиваясь в кожухе, за счёт трения «увлекает» за собой ротор. При этом отдавая часть энергии ротору, газ замедляется, и благодаря возникающей при взаимодействии с ротором кориолисовой силе, подобно чаинкам в чае «скатывается» к оси ротора, где имеются специальные отверстия, через которые осуществляется отвод «отработанного» рабочего тела. Интересно, что сам Никола Тесла позиционировал своё изобретение, как способ высокоэффективного использования геотермальной энергии, которую он считал энергией будущего. Кроме того турбина без каких-либо переделок может превратиться в высокоэффективный вакуумный насос — достаточно раскрутить её вал от другой турбины или электродвигателя. Технологичность турбины Тесла позволяет изготавливать её варианты буквально из чего угодно: дисковый ротор можно сделать из старых компакт-дисков или «блинов» от вышедшего из строя компьютерного «винчестера». При этом мощность такого двигателя не смотря на «игрушечные» материалы и габариты получается весьма внушительной. Кстати о габаритах: двигатель мощностью 110 л.с. был не больше системного блока нынешнего персонального компьютера. Устройства на эффекте Ранка Эффект Ранка с самого начала привлекал изобретателей кажущейся простотой технической реализации — в самом деле, простейшая реализация вихревой трубы представляет собой кусок трубы самый обычной, куда с одной стороны внутрь тангенциально подаётся исходный поток, а на противополжном торце установлена кольцевая диафрагма, и из её внутреннего отверстия выходит охлаждённая часть потока, а из щели между внешним краем диафрагмы и внутренней поверхностью трубы — его горячая часть. Однако на самом деле не всё так просто — добиться эффективного разделения удаётся далеко не всегда, да и КПД таких установок обычно заметно уступает широко распространённым компрессорным тепловым насосам. Кроме того, обычно параметры установки на эффекте Ранка рассчитаны для конкретной мощности, определяемой скоростью и расходом вещества исходного потока, и когда параметры входного потока отклоняются от оптимальных значений, КПД вихревой трубы существенно ухудшается. Тем не менее следует заметить, что возможности некоторых установок на эффекте Ранка внушают уважение — например, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С! Впрочем, с учётом нашего климата, гораздо больший интерес представляет использование эффекта Ранка для обогрева, да при этом ещё хотелось бы и не выходить за рамки «подручных средств». Суть эффекта Ранка При движении потока газа или жидкости по плавно поворачивающей поверхности трубы у её внешней стенки образуется область повышенного давления и температуры, а у внутренней (либо в центре полости, если газ закручен по поверхности цилиндрического сосуда) — область пониженной температуры и давления. Это достаточно хорошо известное явление называется эффектом Ранка по имени открывшего его в 1931 г. французского инженера Жозефа Ранка (G.J.Ranque, иногда пишут «Ранке»), или эффектом Ранка-Хилша (немец Robert Hilsh продолжил исследование этого эффекта во второй половине 1940-х годов и улучшил эффективность вихревой трубы Ранка). Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса, энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы. Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что центробежные силы во вращающемся потоке направлены наружу. Как известно, более тёплые слои газа или жидкости имеют меньшую плотность и должны подниматься вверх, а в случае цетробежных сил — стремиться к центру, более холодные имеют большую плотность и, соответственно, должны стремиться к периферии. Между тем при большой скорости вращающегося потока всё происходит с точностью до наоборот! Эффект Ранка проявляется как для потока газа, так и для потока жидкости, которая, как известно, является практически несжимаемой и потому фактор адиабатического сжатия / расширения к ней неприменим. Тем не менее, в случае жидкости эффект Ранка обычно выражен значительно слабее — возможно, именно по этой причине, да и очень малая длина свободного пробега частиц затрудняет его проявление. Но это верно, если оставаться в рамках традиционной молекулярно-кинетической теории, а у эффекта могут быть и совсем другие причины. На мой взгляд, на данный момент наиболее полное и достоверное научное описание эффекта Ранка представлено в статье А.Ф.Гуцола (в формате pdf). Как ни удивительно, в своей основе его выводы о сути явления совпадают с полученными нами «на пальцах». К сожалению, он оставляет без внимания первый фактор (адиабатическое сжатие газа у внешнего радиуса и расширение у внутреннего), который, на мой взгляд, весьма существенен при использовании сжимаемых газов, правда, действует он только внутри устройства. А второй фактор А.Ф.Гуцол называет «разделением быстрых и медленных микрообъёмов». |
С ЧЕГО ЭТО НАЧИНАЛОСЬ
Однако, современным физикам более известен другой эксперимент, получивший название «трубка Рийке». В процессе своих опытов Рийке создал новый музыкальный инструмент из органной трубки. Он заменил водородное пламя Хиггинса на подогреваемый проволочный экран и экспериментально показал, что самый сильный звук рождается в том случае, когда экран расположен на расстоянии четверти трубки от её нижнего конца. Колебания прекращались, если накрыть верхний конец трубки. Это доказывало, что для получения звука необходима продольная конвективная тяга. Работы Хиггинса и Рийке позже послужили основой для зарождения науки о горении, которая сегодня применяется везде, где используется это явление от
Электростанции на двигателе Стирлинга — простота, экономичность и
Экология потребления.Наука и техника:Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой и эффективностью.
Менее ста лет назад двигатели внутреннего сгорания пытались завоевать свое законное место в конкурентной борьбе среди прочих имеющихся машин и движущихся механизмов. При этом в те времена превосходство бензинового двигателя не являлось столь очевидным. Существующие машины на паровых двигателях отличались бесшумностью, великолепными для того времени характеристиками мощности, простотой обслуживания, возможностью использования различного вида топлива. В дальнейшей борьбе за рынок двигатели внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, надежности и простоте взяли верх.
Дальнейшая гонка за совершенствования агрегатов и движущих механизмов, в которую в середине 20 века вступили газовые турбины и роторные разновидности двигателей, привела к тому, что несмотря на верховенство бензинового двигателя были предприняты попытки ввести на «игровое поле» совершенно новый вид двигателей — тепловой, впервые изобретенный в далеком 1861 году шотландским священником по имени Роберт Стирлинг. Двигатель получил название своего создателя.
ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА: ФИЗИЧЕСКАЯ СТОРОНА ВОПРОСА
Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.
При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.
Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.
Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.
Все двигатели Стирлинга работают по принципу цикла Стирлинга, включающего в себя четыре основные фазы и две промежуточные. Основными являются нагрев, расширение, охлаждение и сжатие. В качестве стадии перехода рассматриваются переход к генератору холода и переход к нагревательному элементу. Полезная работа, совершаемая двигателем, строится исключительно на разнице температур нагревающей и охлаждающей частей.
СОВРЕМЕННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ СТИРЛИНГА
Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:
- альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
- бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
- гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель.
Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ
Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.
Настольная электростанция Стирлинга, купить которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:
- большие размеры, которые вызваны потребностью к постоянному охлаждению работающего поршня;
- использование высокого давления, что требуется для улучшения характеристик и мощности двигателя;
- потеря тепла, которая происходит за счет того, что выделяемое тепло передается не на само рабочее тело, а через систему теплообменников, чей нагрев приводит к потере КПД;
- резкое снижение мощности требует применения особых принципов, отличающихся от традиционных для бензиновых двигателей.
Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:
- любой вид топлива, поскольку как любые двигатели, использующие энергию тепла, данный двигатель способен функционировать при разнице температур любой среды;
- экономичность. Данные аппараты могут стать прекрасной заменой паровым агрегатам в случаях необходимости переработки энергии солнца, выдавая КПДна 30% выше;
- экологическая безопасность. Поскольку настольная электростанция кВт не создает выхлопного момента, то она не производит шума и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. В виде источника получения мощности выступает обычное тепло, а топливо выгорает практически полностью;
- конструктивная простота. Для своей работы Стирлинг не потребует дополнительных деталей или приспособлений. Он способен самостоятельно запускаться без использования стартера;
- повышенный ресурс работоспособности. Благодаря своей простоте, двигатель может обеспечить не одну сотню часов беспрерывной эксплуатации.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА
Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию.
Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стирлинга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелии или водород. опубликовано econet.ru
Высокотемпературный двигатель Стирлинга с генератором электроэнергии.
Здравствуйте. В сегодняшнем обзоре я расскажу вам о двигателе внешнего сгорания. Высокотемпературном двигателе Стирлинга с генератором электроэнергии. Пускай, это всего лишь небольшая модель, но вещь крайне любопытная и качественно собранная. Приглашаю тех, кому это интересно – к чтению обзора.
Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).
Это устройство преобразующее тепловую энергию в механическую.
Основное отличие его от двигателя внутреннего сгорания в том, что тепловая энергия приходит к нему из вне, а не производится им непосредственно. Это и есть его самое уникальное и замечательное свойство, отличающее его от всех остальных машин.
В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.
Цикл Стирлинга считается непременной принадлежностью именно двигателя Стирлинга. В то же время, детальное изучение принципов работы множества созданных на сегодняшний день конструкций, показывает, что значительная часть из них имеет рабочий цикл, отличный от цикла Стирлинга. Например, альфа-стирлинг с поршнями разного диаметра имеет цикл, более похожий на цикл Эрикссона. Бета- и гамма-конфигурации, имеющие достаточно большой диаметр штока у поршня-вытеснителя, также занимают некое промежуточное положение между циклами Стирлинга и Эрикссона.
Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы. Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.
Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.
Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.
Также существуют разновидности двигателя Стирлинга, не попадающие под вышеуказанные три классических типа, например:
Роторный двигатель Стирлинга — решены проблемы герметичности (патент Мухина на герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставке в Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, так как двигатель роторный).
Мы будем рассматривать гамма тип.
Принцип действия высокотемпературного двигателя. Левая и правая части цилиндра не касаются друг друга. Между ними стоит теплоизолятор. Когда вытеснитель находится в левой стороне, он вытесняет весь горячий воздух вправо, воздух остывает, всасывая рабочий поршень. Когда же вытеснитель уходит вправо, он выгоняет весь воздух в горячую камеру, воздух нагревается, расширяется и вытесняет рабочий поршень вправо. Рабочий поршень и вытеснитель связаны меж
Роторные двигатели Стирлинга
Роторные Стирлинги можно отнести к гамма-типу. Однако вместо классической схемы теплообменного цилиндра, где дисплейсер совершает возвратно-поступательные движения, функцию «теплового клапана» выполняет нессиметричный ротор. Вращаясь по оси он поочередно перекрывает горячую и холодную зоны, вызывая нагрев и охлаждение рабочего тела. Роторные Стирлинги отличаются более компактными размерами и могут быть выполнены полностью герметичными. Для этого в корпусе двигателя размещают генератор, или выводят механический привод через магнитную муфту.
Недостатком двигателя является сложность в обеспечении нагрева и охлаждения теплообменного цилиндра, поскольку в отличии от стандартного гамма-стирлинга нагревать и охлаждать приходится не торцы цилиндра а боковые стенки. Вследствие этого теплопотери могут увеличиваться.
Есть стирлинги, спроектированные по классической схеме роторного двигателя внутреннего сгорания, но в моделировании такая схема не используется из-за высокой конструкционной сложности исполнения.
Двигатель Стирлинга замедленного нагрева
Данная конструкция стирлингов пожалуй самая «загадочная» из имеющихся. Ее «с натягом» можно причислить к бета-типу стирлингов. В основе работы двигателя заложен термоакустический эффект. Суть эффекта, на первый взгляд, проста. При неравномерном нагреве полой, запаянной с одного конца трубки, изготовленной из материала с низкой теплопроводностью в полости трубки возникают автоколебания воздуха. При определенной доработке трубка начинает издавать звук. Конструкторы решили использовать этот эффект для создания двигателя, поэтому данные двигатели имею второе название — термоакустические. Поскольку термоакустические двигатели получают внешний подвод тепла к системе и замкнутый объем с рабочим телом, их причисляют к стирлингам. Работает двигатель за счет образования стоячей волны внутри рабочего цилиндра. Изменения давления смещены во времени относительно возвратно-поступательного движения поршня. Данное несовпадение по времени в колебаниях давления и поршня заменяют второй цилиндр. За счет этого поддерживается автоколебание в системе. Конструктивно двигатель очень прост, но его расчет весьма сложен. При изготовлении моделей длину рабочего цилиндра, размер регенератора и прочие тонкости находят, в основном, экспериментально. В заключении отметим, что это далеко не полный и весьма поверхностный обзор стирлинг-машин. Главная задача — дать представление о конструкции основных типов стирлингов. Максимально полная на сегодняшний день классификация, описание физических принципов действия и упрощенных методов расчета представлена в книге Г. Уокера «Машины, работающие по циклу Стирлинга» перевод с английского М.: Энергия 1978 г.
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.
Применение двигателя Стирлинга — Applications of the Stirling engine
Настольный гамма — двигатель Стирлинга. Рабочая жидкость в этом двигателе является воздух. Горячий теплообмен стеклянный цилиндр справа, и холодный теплообменник представляет собой ребристый цилиндр на вершине. Этот двигатель использует небольшую спиртовую горелку (внизу справа) в качестве источника теплаПрименения двигателя Стирлинга диапазоне от механической тяги к нагрева и охлаждения для систем выработки электроэнергии. Двигатель Стирлинга является тепловой двигатель работает путем циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа, « рабочей жидкости », при различных температурных уровнях таким образом, что существует сеть преобразование тепла в механическую работу . Цикла Стирлинга тепловой двигатель может также приводиться в обратном направлении, с использованием механической энергии для привода передачи тепла в обратном направлении (т.е. тепловой насос или холодильник).
Есть несколько проектных конфигураций для двигателей Стирлинга , которые могут быть построены, многие из которых требуют поворотных или скользящих уплотнений, которые могут ввести сложные компромиссы между фрикционными потерями и хладагентом утечкой. Свободно-поршневой вариант двигателя Стирлинга может быть построен, который может быть полностью герметичен , уменьшая потери на трение и полностью исключает утечку хладагента. Например, бесплатное Поршень Стирлинг охладитель (FPSC) может преобразовывать электрическую энергию ввод в практический эффект теплового насоса, используемый для высокопроизводительных портативных холодильников и морозильников. И наоборот, электрический генератор свободно-поршневой может быть построен, преобразование потока тепла в механическую энергию, а затем в электричество. В обоих случаях энергия обычно преобразуются из / в электрическую энергию с использованием магнитных полей таким образом , что позволяет избежать ухудшения герметичное уплотнение.
Механическая мощность и двигательная
Автомобильные двигатели
Часто утверждают , что двигатель Стирлинга имеет слишком низкое соотношение мощность / вес, слишком высокую стоимость, и слишком долго начальное время для автомобильных применений. Кроме того, они имеют сложные и дорогие теплообменники. Охладитель Стирлинга должен отвергнуть вдвое больше тепла , как двигатель Отто или дизельный двигатель радиатора. Нагреватель должен быть изготовлен из нержавеющей стали, экзотического сплава или керамической для поддержки высоких температур нагрева , необходимых для высокой плотности мощности, а также содержать газообразный водород , который часто используется в автомобильных Stirlings , чтобы максимизировать мощность. Основные трудности , связанные с использованием двигателя Стирлинга в автомобильных применениях являются время запуска, ответ ускорения, время выключения, и вес, не все из которых имеют готовые решения.
Тем не менее, модифицированный двигатель Стирлинга был введен , который использует понятия , взятые из двигателя внутреннего сгорания , запатентованного с камерой сгорания боковой стенки (патент США 7387093) , который обещает преодолеть проблемы с дефицитом плотности мощности и удельной-мощностью, а также медленным проблема ускорения-отклик , присущая все двигатели Стирлинга. Это может быть возможным использовать их в системах когенерации , которые используют отработанное тепло от выхлопных газов обычного поршня или газотурбинного двигателя и использовать либо для питания навесных агрегатов (например: генератор переменного тока) или даже в качестве турбо-соединения системы , что увеличивает мощность и крутящий момент на коленчатом валу.
Автомобили исключительно на базе двигателей Стирлинга были разработаны в тестовых проектах по НАСА , а также более ранних проектов по Ford Motor Company с использованием двигателей , предоставляемых Philips , и American Motors Corporation (AMC) с несколькими автомобилями , оснащенными единиц из Швеции United Stirling построен под лицензия от Philips. Тестовые проекты транспортных средств НАСА были разработаны подрядчиками и обозначали MOD I и MOD II.
Stirling MOD 1 электрорегулировка инженерные машины НАСА были построены в сотрудничестве с США Министерства энергетики (DOE) и НАСА, по контракту с АМС AM General , чтобы разработать и продемонстрировать практические альтернативы для стандартных двигателей. Р-40 питание Соединенного Stirling для AB АМС Дух был протестирован в течение более 50000 миль (80467 км) и достиг средней эффективности использования топлива до 28,5 миль на галлон -US (8,3 л / 100 км; 34,2 миль на галлон -imp ). 1980 4-дверный хэтчбек VAM Lerma был также преобразован в Соединенные Стирлинга P-40 мощности , чтобы продемонстрировать двигатель Стирлинга для общественности и продвигать альтернативную программу правительства США двигателя.
Испытания , проведенные с 1979 AMC Духа, а также 1977 Opel и 1980 AMC Concord показали двигатели Стирлинга «могут быть разработаны в автомобильную трансмиссию для легковых автомобилей и что он может дать благоприятные результаты.» Однако прогресс был достигнут при равной мощности двигателей с искровым зажиганием с 1977 года, а также корпоративное средняя экономия топлива (CAFE) требования , которые должны были быть достигнуты автомобилями , проданных в США были увеличены. Кроме того, конструкция двигателя Стирлинга продолжает демонстрировать дефицит топливной эффективности Были также два основных недостатка для потребителей , использующих двигатели Стирлинга: первое было время , необходимое , чтобы разогреть — потому что большинство водителей не любят ждать , чтобы начать движение; и второй была трудность изменения скорости двигателя — тем самым ограничивая гибкость вождения на дороге и движения. Процесс автопроизводителей преобразования существующих объектов и инструментов для массового производства совершенно новой конструкции и типа силовой установки также был допрошен.
Проект MOD II в 1986 году произвел один из самых эффективных автомобильных двигателей когда — либо сделанных. Двигателя достигла пика теплового КПД 38,5%, по сравнению с современным бензиновым искровым зажиганием двигателя, который имеет максимальную эффективность 20-25%. Проект Mod II заменил обычный двигатель с искровым зажиганием , в 1985-4 двери Шевроле Celebrity кузова седана . В Отчете Design 1986 MOD II (Приложение А) результаты показали , что шоссе пробега газа был увеличен с 40 до 58 миль на галлон -US ( от 5,9 до 4,1 л / 100 км; от 48 до 70 миль на галлон -imp ) и достиг городского диапазон от 26 до 33 миль на галлон -US (9.0-7.1 л / 100 км; 31-40 миль на галлон -imp ) без изменения веса брутто транспортного средства. Время запуска в автомобиле НАСА было максимумом 30 секунд, в то время как исследование автомобиль Форда используется внутренний электрический нагреватель для быстрого запуска двигателя, давая время начала всего лишь несколько секунд. Высокие выходные крутящий момент двигателя Стирлинга на низкой скорости устраняется необходимость в гидротрансформатор в трансмиссии приводит к снижению веса и трансмиссии передачи потерь отрицающих несколько веса недостаток Стирлинга в автоматическом использовании. Это привело к повышению эффективности упоминается в результатах испытаний.
Эксперименты показали , что двигатель Стирлинга может повысить эффективность работы транспортных средств за счет отсоединения идеально Стирлинга от прямых требований мощности, что исключает непосредственное механическое соединение, используемое в большинстве современных транспортных средств. Его главная функция , используемая в расширенном диапазоне серии электрических гибридном транспортное средстве будет в качестве генератора , обеспечивающего электроэнергию для привода тяговых двигателей электрических транспортных средств и зарядкой набора буферной батареи. В нефте-гидравлический гибрид Стирлинга будет выполнять ту же функцию , как и в нефтехимической-электрической серии-гибрид поворота насоса зарядки гидравлический буферный резервуар. Несмотря на успех в фазах MOD 1 и MOD 2 экспериментов, урезание финансирования дальнейших исследований и отсутствие интереса со стороны автомобилестроителей закончилась возможной коммерциализации программы Automotive Stirling Engine.
Электрические транспортные средства
Двигатели Стирлинга в составе гибридного электрического привода системы может быть в состоянии обойти проблемы проектирования или недостатки негибридного Стирлинга автомобиля.
В ноябре 2007 года прототип гибридного автомобиля с использованием твердого биотоплива и двигатель Стирлинга был объявлен проект Precer в Швеции.
Новый лидер Hampshire Union сообщает , что Дин Камен разработал серию гибрида автомобиля с помощью Форд Think . DEKA , технология компания Камен в Манчестере Millyard , продемонстрировала электрический автомобиль, DEKA Бунт , который может достигать приблизительно 60 миль (97 км) от одного заряда его батареи литии .
Авиационные двигатели
Роберт McConaghy создал первый самолет приведенный в действие двигатель Стирлинга летающий в августе 1986 Тип двигателя Beta весил 360 грамм, и производится только 20 Вт мощности. Двигатель был прикреплен к передней части модифицированного Супер Малибу радиоуправления планера с общей взлетной массой 1 кг. Лучший опубликован испытательный полет длился 6 минут и показал «едва достаточно энергии, чтобы сделать случайный плавный разворот и поддерживать высоту».
Судовые двигатели
Двигатель Стирлинга может быть хорошо подходят для подводных энергетических систем , где электрические работы или механическая мощность требуется на прерывистый или непрерывный уровне. General Motors провел значительный объем работ на современных двигателях Стирлинга цикла , которые включают в себя термические хранилища для подводного применения. Соединенные Стирлинга, в Мальмё, Швеция , разрабатывают экспериментальный двигатель с четырьмя цилиндров с использованием перекиси водорода в качестве окислителя в подводных энергетических системах. САГА (подводная лодка помощь большой автономия) подводная лодка начала функционировать в 1990 — х годах , и приводится в движении двух двигателей Стирлинга , поставляемых с дизельным топливом и жидким кислородом . Эта система также имеет потенциал для поверхностного судна в движении, так как размер двигателя является меньше беспокойства, а также размещения секции радиатора в морской воде , а не на открытом воздухе ( в качестве двигателя наземного базирования будет) позволяет ему быть меньше.
Шведский кораблестроитель Kockums построил 8 успешных подводных лодок Stirling питание с конца 1980 — х годов. Они несут сжатый кислород , чтобы позволить погружено сгоранию топлива, что обеспечивает тепло для двигателя Стирлинга. В настоящее время они используются на подводных лодках на Готланде и Сёдерманланд классов. Они первые подводные лодка в мире показывает Стирлинг воздухонезависимого двигатель (AIP), которая расширяет свою подводную выносливость от нескольких дней до нескольких недель.
Эта функция ранее была доступна только с атомными подводными лодками .
Двигатель Kockums также полномочие японского Soryu -класса подводной лодки.
Насосные двигатели
Двигатели Стирлинга может питать насосы для перемещения текучих сред, таких как вода, воздух и газы. Например, ST-5 от Стирлинга Technology Inc. мощности 5 лошадиных сил (3,7 кВт), который может работать 3 кВт генератор с или центробежным водяным насосом.
выработки электроэнергии
Комбинированное производство тепла и электроэнергии
В комбинированном тепловой и электрической системе (ТЭЦ), механическая или электрическая энергия генерируется обычным способом, однако, отходящее тепло, испускаемое двигателя используется для подачи вторичного применения нагрева. Это может быть практически все , что использует низкотемпературное тепло. Это часто уже существующие использования энергии, такие , как коммерческое отопление помещений, нагрев воды, жилой или производственный процесс.
Тепловые электростанции на электросетевом использовании топлива для производства электроэнергии . Тем не менее, существует большое количество отходов тепла , вырабатываемые которые часто остаются неиспользованными. В других ситуациях, высокосортный топливо сгорает при высокой температуре для применения при низких температурах. Согласно второму закону термодинамики , тепловой двигатель может вырабатывать энергию от этой разности температур. В системе ТЭЦ, первичная тепловая высокая температура поступает в подогреватель двигателя Стирлинга, то часть энергии преобразуется в механическую энергию в двигателе, а остальное проходит через к охладителю, где он выходит при низкой температуре. «Отходы» тепло на самом деле происходит от главного двигателя кулера , и , возможно , из других источников , такие как выхлопная труба горелки, если таковое имеются.
Мощности, произведенное двигателем может быть использован для запуска промышленного или сельскохозяйственного процесса, который, в свою очередь создает отходы биомассы отказываются, которые могут быть использованы в качестве свободного топлива для двигателя внутреннего сгорания, тем самым снижая затраты на удаление отходов. Общий процесс может быть эффективным и экономически эффективным.
Inspirit энергия, компания в Великобритании на основе имеет газовую ТЭЦ блок называется Inspirit зарядного устройство, которое продается в 2016. Напольного устройство генерирует 3 кВт электрических и 15 кВт тепловой энергии.
WhisperGen, Новой Зеландии фирма с офисами в Крайстчерче , разработал цикл двигателя «AC Micro комбинированного производства тепла и электроэнергии» Стирлинга. Эти microCHP агрегаты газовые котлы центрального отопления , которые продают неиспользованную энергию обратно в электрическую сеть . WhisperGen объявил в 2004 году , что они производили 80000 единиц для жилищного рынка в Соединенном Королевстве . A 20 единицы испытание в Германии было проведено в 2006 году.
Генерация солнечной энергии
Размещенные в фокусе параболического зеркала, двигатель Стирлинга может преобразовывать солнечную энергию в электричество с эффективностью лучше , чем не концентрированных фотоэлектрических элементов , и сравнимой с концентрированными фотовольтаики . С 11 августа 2005 года, Southern California Edison объявила о заключении соглашения с Стирлинга Energy Systems (SES) на покупку электроэнергии , созданную с использованием более 30000 на солнечных батареи для двигателей Стирлинга в течение периода двадцати лет , достаточного для генерирования 850 МВт электроэнергии. Эти системы, на 8000 акров (19 км 2 ) солнечной ферме будут использовать зеркало , чтобы направлять и концентрировать солнечный свет на двигатели , которые, в свою очередь , привод генераторы. «В январе 2010 года, через четыре месяца после перелома основания, компания — партнер Stirling Energy Tessara Solar завершила 1,5 МВт Maricopa солнечной электростанции в Пеории, штат Аризона , недалеко от Феникса. Силовая установка состоит из 60 SES Suncatchers.» Suncatcher описываются как «большой, отслеживание, концентрации солнечной энергии (CSP) блюдо коллектор , который генерирует 25 киловатт (кВт) электроэнергии на полном солнце. Каждый из коллекторов на 38 футов диаметра содержит более 300 изогнутых зеркал ( гелиостаты ) , что фокусировки солнечного света на блок преобразования энергии, которая содержит двигатель Стирлинга. Чашка использует отслеживание двойной оси вслед за солнцем точно , как она двигается по небу «. Там были споры по поводу проекта из — за проблемы экологического воздействия на животных , живущих на месте. Завод Maricopa Solar был закрыт.
Атомная энергия
Существует потенциал для двигателей атомных Стирлинга в электрических электростанциях. Замена паровых турбин атомных электростанций с двигателями Стирлинга может упростить установку, выход более высокую эффективность, а также уменьшить радиоактивные побочные продукты. Целый ряд конструкций реакторов-размножители используют жидкий натрий в качестве теплоносителя. Если тепло должно быть использовано в паровой установки, теплообменник вода / натрий необходим, что вызывает некоторое беспокойство как натрий бурно реагирует с водой. Двигатель Стирлинга устраняет потребность в воде в любом месте цикла. Это будет иметь преимущества для ядерных установок в засушливых регионах.
США правительственных лаборатории разработали современный дизайн Стирлинга двигатель , известный как радиоизотопный генератор , Стирлинг для использования в освоении космического пространства. Он предназначен для выработки электроэнергии для глубоких космических аппаратов на миссии продолжительностью десятилетия. Двигатель использует одну буек , чтобы уменьшить двигающиеся части и использует высокие акустические характеристики энергии для передачи энергии. Источник тепла является сухой твердой ядерным топливом , пробка, и радиатор радиация в самом свободное пространство.
Отопление и охлаждение
Если поставляются с механической мощностью, двигатель Стирлинга может работать в обратном направлении , как тепловой насос для нагрева или охлаждения. В конце 1930-х годов Philips Corporation Нидерландов успешно используется цикл Стирлинга в криогенных. Эксперименты были проведены с использованием энергии ветра вождения цикла Стирлинга тепловой насос для внутреннего отопления и кондиционирования воздуха.
Stirling криокулеры
Любой двигатель Стирлинга будет также работать в обратном направлении , как тепловой насос : когда механическая энергия подается к валу, разность температур возникает между резервуарами. Основные механические компоненты криокулера Стирлинга идентичны двигателя Стирлинга. В обоих двигателя и теплового насоса, тепловые потоки от расширения пространства в пространство сжатия; Однако, ввод работа требуется для того , чтобы тепла течь « в гору» против теплового градиента, в частности , когда пространство сжатия горячее , чем пространство расширения. Внешняя сторона расширения пространства теплообменника может быть размещена внутри теплоизолированного отсека , такие как термос. Тепло действует откачиваемой из этой камеры, через рабочий газ из криокулера и в пространство сжатия. Пространство сжатия будет выше температуры окружающей среды, и поэтому тепло будет вытекать в окружающую среду.
Один из их современных применений в криогенной и, в меньшей степени, холодильную . При типичных температурах охлаждения, охладители Стирлинга , как правило , экономически не конкурентоспособные по сравнению с менее дорогими основным Ренкина систем охлаждения, потому что они менее энергетически эффективными. Тем не менее, ниже приблизительно -40 …- 30 ° С охлаждением, Ренкина не является эффективным , потому что нет подходящих хладагентов с точками кипения этой низкой. Стирлинга криокулеры способны «поднять» тепла до -200 ° C (73 K), которое является достаточным для сжижения воздуха ( в частности , основной составляющей газов кислород , азот и аргон ). Они могут пойти как низко как 40-60 K для одноступенчатых машин, в зависимости от конкретной конструкции. Двухступенчатый Стирлинга криокулеры могут достигать температуры 20 К, достаточных для разжижения водорода и неона. Криокулеры для этой цели являются более или менее конкурентоспособным по сравнению с другими технологиями криокулера. Коэффициент полезного действия при криогенных температурах , как правило , 0,04-0,05 ( что соответствует КПД 4-5%). Эмпирически, устройства показывают линейную тенденцию, как правило , с КС = 0,0015 T C — 0,065 , где Т с является криогенной температуры. При этих температурах, твердые материалы имеют более низкие конкретные значения тепла, так что регенератор должны быть сделаны из неожиданных материалов, таких как хлопок .
Первого цикла Стирлинга охладитель был разработан в Philips в 1950 — х и коммерциализации в таких местах , как жидкий воздух производственных установок. Бизнес Philips Криогеника эволюционировал , пока не отделились в 1990 году , чтобы сформировать Стирлинг Криогеника BV, Нидерланды. Эта компания по — прежнему активно участвует в разработке и производстве Стирлинга криокулеров и криогенные системы охлаждения.
Широкое разнообразие меньших криокулеров Стирлинга является коммерчески доступным для таких задач, как охлаждение электронных датчиков , а иногда и микропроцессоров . Для этого приложения Стирлинга криокулеры являются технологии высокой эффективности доступны, благодаря их способности эффективно поднимать тепло при очень низких температурах. Они молчат, без вибрации, может быть уменьшены до небольших размеров, и имеет очень высокую надежность и низкие эксплуатационные расходы. В 2009 году криокулеры считались единственными широко развернуты коммерчески успешных устройств Стирлинга.
Тепловые насосы
Стирлинга тепловой насос очень похож на криокулер Стирлинга, основное отличие в том , что он обычно работает при комнатной температуре. В настоящее время , его основное применение является насос тепла с наружной стороной здания к внутренней части , таким образом , нагревая его при пониженных затратах энергии.
Как и с любым другим устройством Стирлинга, поток тепла из расширительного пространства в пространство сжатия. Однако, в отличии от Стирлинга двигателя , пространство расширения при более низкой температуре , чем пространство для прессования, так что вместо того, чтобы производить работу, ввод механической работы требуется система (для того , чтобы удовлетворить второй закон термодинамики ). Вход механическая энергия может подаваться от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания, например. Когда механическая работа для теплового насоса обеспечивается с помощью второго двигателя Стирлинга, то система в целом называется «тепловым приводом теплового насоса».
Сторона расширения теплового насоса термически соединена с источником тепла, что часто является внешней средой. Сторона сжатия устройства Стирлинга помещает в окружающей среде необходимо нагреть, например , здание, и тепло «накачка» в него. Как правило , будет теплоизоляцию между двумя сторонами , так что будет повышение температуры внутри изолированного пространства.
Тепловые насосы на сегодняшний день наиболее энергоэффективных видов отопительных систем, так как они «жатвы» дополнительного тепла из окружающей среды, а не превращать все их ввода энергии непосредственно в тепло. В соответствии со вторым законом термодинамики, тепловые насосы всегда требуют дополнительного ввода какой — либо внешней энергии , чтобы «насос» собранного тепло « в горе» против перепада температур.
По сравнению с обычными тепловыми насосами, Стирлинга тепловые насосы часто имеют более высокий коэффициент полезного действия . На сегодняшний день система Стирлинга видела ограниченное коммерческое использование; Однако использование ожидается увеличение наряду с рыночным спросом на энергосбережение, и принятие, вероятно , будет ускоряться технологическими усовершенствованиями.
Портативное холодильное
Плунжерный Стирлинг охладитель (FPSC) является полностью герметичной системой передачи тепла , что имеют только две подвижные части (поршень и буек), и которые могут использовать гелий в качестве рабочей жидкости . Поршень , как правило , с приводом от осциллирующего магнитного поля , которое является источником энергии , необходимой для приведения в действие цикла охлаждения. Магнитный привод позволяет поршню для эксплуатации , не требуя каких — либо уплотнения, прокладки, уплотнительные кольца или другие компромиссы в герметично закрытой системе. Заявленные преимущества для системы включают в себя улучшенную эффективность и мощность охлаждения, более легкий вес, меньший размер и лучшую управляемость.
FPSC был изобретен в 1964 году Уильям Бил (1928-2016), профессор машиностроения в Университете Огайо в Афинах, штат Огайо . Он основал Sunpower Inc., которая исследует и разрабатывает FPSC системы для военных, аэрокосмических, промышленных и коммерческих приложений. Охладитель FPSC сделаны Sunpower использовался НАСА для охлаждения аппаратуры в спутниках .
Другие поставщики технологии FPSC включают Twinbird компанию Японии и глобальное похолодание NV в Нидерландах, который (как Sunpower) имеет исследовательский центр в Афинах, штат Огайо.
В течение нескольких лет , начиная с около 2004 года Coleman Company продал версию Twinbird «SC-C925 Портативный Freezer Cooler 25L» под своим собственным брендом, но с тех пор она прекратила предлагать продукт. Портативный охладитель может работать более сутки, поддерживая суб-мороз , пока питание от автомобильного аккумулятора . Этот кулер еще производится с глобальным похолоданием в настоящее время координирует распределение в Северной Америке и Европе. Другие варианты , предлагаемые Twinbird включают в себя портативную морозильную камеру (до -80 ° С), сборно — разборными, охладители и модель для транспортировки крови и вакцины.
разностные двигатели Низкотемпературные
Низкотемпературный-разностный двигатель Стирлинга, показанный здесь, работающие на тепле от теплой стороныРазница при низкой температуре ( ООО или низкий Дельта Т ) двигатель Стирлинга будет работать на любом дифференциале с низкой температурой, например , разность между ладонью и комнатной температурой, или при комнатной температуре и кубиком льда. Запись только 0,5 ° C разности температур была достигнута в 1990 году Обычно они разработаны в гамма — конфигурации для простоты и без регенератора, хотя некоторые имеют прорези в буйка , как правило , сделаны из пены для частичной регенерации. Они , как правило , без давления, работающий на давлении , близком к 1 атмосфере . Мощность , выделяемая составляет менее 1 Вт, и они предназначены только для демонстрационных целей. Они продаются как игрушки и модели образования.
Однако, как правило, больше (1 м кв) температура двигателя низкая были построены для перекачивания воды с помощью прямого солнечного света с минимальным или вообще без увеличения.
Другие приложения
Акустический Стирлинг тепло двигатель
Лос-Аламосской национальной лаборатории разработала «Acoustic Стирлинга тепловой двигатель» без движущихся частей. Он преобразует тепло в интенсивную акустическую мощность, который (цитата из данного источника) «может быть использован непосредственно в акустических холодильниках или холодильниках-импульсной трубка для обеспечения тепла привода охлаждения без подвижных частей, или … для выработки электроэнергии с помощью линейного генератора переменного тока или другой электро-акустический преобразователь мощности».
MicroCHP
WhisperGen (банкротстве 2012) в Новой Зеландии компания разработала двигатели Стирлинга , которые могут быть , работающих на природном газе или дизельном топливе. Соглашение было подписано с Мондрагон Корпорасьон Кооператива , испанской фирмы, чтобы произвести microCHP WhisperGen в (теплоэлектроцентрали) и сделать их доступными для внутреннего рынка в Европе. Некоторое время назад E.ON UK объявил подобную инициативу Великобритании. Внутренние двигатели Стирлинга будут поставлять клиент с горячей водой, отоплением и избыток электроэнергии , который может быть подан обратно в электрическую сеть.
На основании опубликованных спецификаций производительности этих компаний, отходящие сетки на дизельное топливо блок производит комбинированное производство тепла (5,5 кВт) тепловые и электрический (электрический 800W) выход, из блока, подаваемого 0,75 литра автомобильного сорта дизельного топлива в час. Whispergen блоки, как утверждают, работать как комбинированный блок когенерация достигая ~ операционной эффективности 80%.
Однако предварительные результаты обзора Энергосберегающих Целевым исполнения единиц WhisperGen microCHP предположили , что их преимущества были маргинальными в лучшем случае в большинстве домов. Однако другой автор показывает , что двигатель Стирлинга микропроизводство является наиболее экономически эффективным из различных микропроизводство технологий с точки зрения сокращения CO 2 .
Чип охлаждения
MSI (Тайвань) разработал миниатюрный Стирлинг систему охлаждения двигателя для персональных компьютерных чипов , которые используют отходящее тепло от чипа для привода вентилятора.
опреснение
Во всех тепловых электростанциях там должно быть выхлопом отработанного тепла . Тем не менее, нет никаких оснований , что отходящее тепло , не может быть отведено для запуска двигателей Стирлинга для откачки морской воды через обратные осмос сборки за исключением того, что любое дополнительное использование тепла , повышает эффективную температуру радиатора для тепловой электростанции , в результате некоторой потере эффективности преобразования энергии , В типичной атомной электростанции, две трети тепловой энергии , произведенной в реакторе отходящего тепла. В сборке Стирлинга отходящее тепло , имеет потенциал для использования в качестве дополнительного источника электроэнергии.