Холодильник стирлинга: Двигатель Стирлинга — Википедия – Холодильник Стирлинга — Двигатели Стирлинга

Холодильник Стирлинга — Двигатели Стирлинга

Холодильник в его нынешнем виде доведён до совершенства в смысле цена — качество — технологичность производства — срок службы. Возможно, по отдельным параметрам его можно улучшить, но это будет за счёт ухудшения других характеристик, например, массы и цены.

 

С компрессорными бытовыми холодильниками я хорошо знаком

Интересует именно холодильная машина стирлинга.

Щас читаю книжки про криогенную технику, дочитаю тогда буду дальше думать.

Вот уже вычитал из чего лучше всего делать регенераторы для холодильников.

В любом случае холодильники стирлинга выпускались серийно намного больше и чаще чем двигатели.

И даже в совке выпускались, подозреваю что и сейчас производяться в России.

 

 

Нужные материалы и заготовки? Без расчётов и чертежей?

 

Ну почему-же без расчётов? Есть же программы для расчёта стирлингов. А чертежи уже будут рисоваться согласно расчётам.

 

Нужные материалы и заготовки?

За материалы я спрашивал — в плане того — либо мне искать огромную алюминевую кастрюлю для цилиндра, либо цилиндр будет не очень большим.

Уже мне обьяснили шо на большой перепад — сильно большого цилиндра не нужно…

 

http://www.findpaten…/59/591667.html

Холодильник без подвода внешней энергии. Выпускался в СССР мелкими партиями.

Всё в нём прекрасно, но он в два раза сложнее по схеме и, следовательно, дороже.

 

 

Спасибо! :good: Почитаю.

 

Имеет смысл поработать с обычным холодильником. У него есть два недостатка, которые можно легко устранить и в разы уменьшить потребление электроэнергии, не нарушая никаких физических законов и правил.

1. Воздушный теплообменник нужно дополнить жидкостным, который будет собирать тепловую энергию в виде тёплой воды. При этом сам воздушный теплообменник уже не нужен вообще. За счёт уменьшения температуры на выходе теплообменника увеличится коэффициент переноса тепла теплоносителем внутри холодильника, особенно в самое тёплое время сезона. Уменьшится время работы компрессора и, соответственно, расход электричества. Учтите, что максимальную температуру имеет корпус компрессора и водяная рубашка на нём будет давать воду с максимальной температурой…

2. Включать компенсирующий конденсатор параллельно работающему электродвигателю. Причём сразу его включать нельзя, только после разгона двигателя с задержкой в несколько секунд. Это ощутимо уменьшит косинус фи и расход электричества. Определить необходимую ёмкость конденсатора лучше опытным путём по минимуму потребляемого тока.

 

Меня такая мысль тоже посещала.

Сейчас какраз есть «утёкший» холодильник. Я кему уже приготовил водяной теплообменник.

Незнаю чем он был заправлен и очень напрягают пляски с фреоном.

Хочу заправить изобутаном, или вообще обычным пропан бутаном.

Сейчас сдерживает только отсутствие вакуумнасоса. И переходнички руки не доходят поточить..

А как сделать водяную рубашку на компрессор? Где нибудь можно посмотреть подобную конструкцию?

Охладитель на пульсирующих трубках — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 3 сентября 2015; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 3 сентября 2015; проверки требует 1 правка.

Охладитель на пульсирующих трубках — тепловая машина работающая на принципе двигателя Стирлинга. По сравнению с мотором Стирлинга имеет преимущество в том, что в области холодной точки теплообмена отсутствуют движущиеся детали. За счёт этого минимальная достижимая температура не ограничивается теплом, возникающим за счёт трения скольжения и, кроме того, возможно получить очень компактные размеры охладителя. В настоящее время достигнуты температуры на 1.3 градуса выше абсолютного нуля.

В 1963 году американским учёным Гиффорду и Лонгсворту удалось достичь температуры в 124 К при помощи устройства построенного по принципу, названному BPTR (англ.: Basic Pulse Tube Refrigerator — обычный холодильник на пульсирующей трубке)

[1][2]. Впоследствии другие исследовательские группы опубликовали результаты различных улучшений, позволившие увеличить кпд и достичь более низких температур. В 1984 году удалось получить температуру 60 К в устройстве типа OPTR (англ.: Orifice Pulse-Tube Refrigerator — холодильник на пульсирующей трубке с отверстием)[3][4]. Затем в 1990 году при использовании варианта DIPTR (англ.: Double-Inlet Pulse-Tube Refrigerator — холодильник на пульсирующей трубке с двойным впуском) была получена температура сжижения гелия (меньше 4 К)[5][6]. В работах 2004,2005 годов были получены температуры 1.3 и 1.2 К[7][8].

Мотор Стирлинга[править | править код]

Охладитель на пульсирующих трубках работает по принципу двигателя Стирлинга. В режиме теплового насоса рабочий газ последовательно сжимается и расширяется, что приводит к периодическому изменению его температуры. Для получения направленного теплового потока газ перекачивается в принимающий цилиндр с целью пространственного разделения областей сжатия и расширения. Кроме того газ проходит через т. н. регенератор — газопроницаемый материал с большой теплоёмкостью. Регенератор охлаждает газ в процессе сжатия и нагревается сам. В процессе расширения регенератор нагревает газ и охлаждается сам. В среднем в результате работы возникает разница температур. Если поддерживать более тёплую точку при комнатной температуре, то более холодная может использоваться для охлаждения.

Охладитель на пульсирующих трубках[править | править код]

В охладителе на пульсирующих трубках избегают применения каких-либо движущихся частей. Периодическое изменение давления создаётся обычно удалённым компрессором. Газ, который входит и выходит в охладитель, после регенератора поступает в т. н. пульсирующую трубку, заменяющую собой часть двигателя Стирлинга. Из этой трубки газ либо не может уйти (BPTR), либо может уходить очень медленно (OPTR). Если рассматривать малый объём газа в середине пульсирующей трубки, то он периодически удаляется и приближается к регенератору. Т.о. пульсирующая трубка действует как цилиндр и заменяет второй движущийся поршень (либо движущийся регенератор) двигателя Стирлинга. Перенос тепла возможен только при наличии временной задержки в движении газа по отношению в давлению (или температуре). В двигателе Стирлинга такая задержка реализуется механически. В пульсирующей трубке (BPTR) задержка создаётся за счёт нагревания/охлаждения стенок трубки. В разновидности с отверстием (OPTR) гораздо большая задержка создаётся при помощи буферного объёма. Таким образом реализуется механизм Стирлинга без движущихся деталей и связанного с ними выделения тепла в процессах трения. Между регенератором и трубкой возникает место с минимальной температурой.

Области применения простираются от промышленности, науки, медицины до военной области: сжижение газов, охлаждение сенсоров, охлаждение сверхпроводящих магнитов. Применяются в качестве первичной ступени в многоступенчатых системах охлаждения, позволяющих достигать температур 4.3 мК при дополнительном использовании рефрижератора растворения[9].

  1. 1 2 W. E. Gifford, R. C. Longsworth: Pulse-tube refrigeration. In: Trans ASME. 1964, S. 264–268.
  2. 1 2 W. E. Gifford, R. C. Longsworth: Surface heat pumping. In: Adv Cryo Eng. 11, 1966, S. 171–179.
  3. 1 2 E. I. Mikulin, A. A.Tarasov, M. P. Shkrebyonock,: Low-temperature expansion pulse tubes. In: Adv Cryo Eng. 29, 1984, S. 629–637.
  4. 1 2 R. Radebaugh, J. Zimmerman, D. R. Smith, B. Louie: Comparison of three types of pulse tube refrigerators; New methods for reaching 60 K. In: Adv Cryo Eng. 31, 1986, S. 779–789.
  5. 1 2 S. Zhu, P. Wu, Z. Chen: Double inlet pulse tube refrigerator: an important improvement. In: Cryogenics. 30, Nr. 4, 1990, S. 514-520. doi:10.1016/0011-2275(90)90051-D.
  6. 1 2 Y. Matsubara, J. L. Gao: Novel configuration of three-stage pulse tube refrigerator for temperatures below 4 K. In: Cryogenics. 34, Nr. 4, 1994, S. 259–262. doi:10.1016/0011-2275(94)90104-X.
  7. 1 2 N. Jiang, U. Lindemann, F. Giebeler, G. Thummes: A ^3He pulse tube cooler operating down to 1.3 K. In: Cryogenics. 44, Nr. 11, 2004, S. 809–816. doi:10.1016/j.cryogenics.2004.05.003.
  8. 1 2 I. A. Tanaeva, U. Lindemann, N. Jiang, A. T. A. M. de Waele, G. Thummes: Novel concepts or devices-Superfluid vortex cooler. In: Advances in Cryogenic Engineering. 49B, 2004, S. 1906–13.
  9. 1 2 Kurt Uhlig: “Dry” dilution refrigerator with pulse-tube precooling. In: Cryogenics. 44, Nr. 1, Januar 2004, S. 53–57. doi:10.1016/j.cryogenics.2003.07.007

Модель низкотемпературного двигателя Стирлинга

Привет, муськовчане!

Сегодня я расскажу об очередная вещице из списка “когда будут лишние деньги, то непременно закажу» — о настольной модели двигателя Стирлинга, который работает за счет небольшой разницы температур и может работать ото льда!!

Доехала посылка довольно быстро, ехала CDEK’ом.
Модель в посылке была в разобранном виде — маховик, основная часть и рабочий поршень. Упакованы все эти части были отдельно в пупырку.

В посылке была еще и инструкция:

Собирается всё элементарно — маховик в углубления для него между стойками, поршень на его законное место, накидываем и защелкиваем шатуны. Всё — модель собрана.

Детальные фото


Высота модельки — 12,5 см, Диаметр основания — 13 см, Диаметр маховика — 8,7 см, Вес собранной модельки — 250 грамм

Немного теории:
Вряд ли я способен объяснить работу этого двигателя лучше Википедии, но я попробую — всё-таки и сам начинаешь лучше понимать что-то, когда объясняешь это другим. 🙂

Двигатель Стирлинга — это двигатель внешнего сгорания, преобразующий тепловую энергию в механическую, причем работать может от любого источника тепла.
Изобрел и запатентовал этот двигатель Роберт, не поверите, Стирлинг в 1816 году.
Главной инновацией Стирлинга стало добавление регенератора (приспособы, проходя через которую газ отдает ей тепло, а следуя обратно, забирает его) и второго (вытеснительного) поршня, который перемещал бы воздух от нагревателя к холодильнику и обратно. В моей модельке регенератор максимально примитивен — это просто зазор между вытеснительным поршнем и стенками рабочей камеры.

Цикл работы двигателя выглядит следующим образом:
Внешний источник тепла нагревает нижнюю пластину, тепло передается рабочему телу (воздуху внутри рабочей камеры), температура повышается, объем не меняется, а значит растет давление, которое выталкивает рабочий поршень вверх, совершая полезную работу. Маховик в это время толкает вытеснительный поршень вниз, перемещая нагретый воздух вверх, где он охлаждается. Воздух охлаждается, давление падает и рабочий поршень идет вниз, а вытеснительный поршень в это время идет вверх, перемещая уже холодный воздух вниз, где он снова нагревается. И всё повторяется вновь и вновь.
Кстати, сдвиг фаз (можно вообще так сказать о шатунах?) у шатунов 90 градусов.

Давайте перейдем к чему-то зрелищному.
Итак, как вы уже поняли из вышеописанного, для запуска двигателя нужно создать разность температур между верхней и нижней пластинами. Ставим модель двигателя на стакан с кипятком, и двигатель начинает работать, ура ура!


Гифки, к сожалению, не обладают звуком, поэтому доложу вам, что звук издаваемый моделькой очень похож на звук советской швейной машинки (В конце обзора есть видеоверсия — звук можно послушать там).

При комнатной температуре в районе 25 градусов моделька, стоя на стакане с кипятком, работает (естественно, под конец всё замедляясь и замедляясь) около 35 минут.

Когда заказывал этот механизм, видел, что подобные модели могут работать от тепла руки при комнатной температуре. Эта модель, увы, так не может — разницы температур не хватает. Разве что зимой может быть получится, когда за бортом будет холодно.

Следующий номер нашей программы — это завести двигатель ото льда!

Вы же намек поняли, да?)



И вот это уже выглядит впечатляюще, хоть и понимаешь прекрасно, что всё логично, разница температур, холодильник, нагреватель — и вот это вот всё, но мозг всё равно как-то недоверчиво относится к тому, что видит, как нечто работает ото льда.

Видеоверсия обзора:

Итоги. Никакими полезными функциями этот агрегат не обладает, это просто забавная вещь интерьера, которой можно удивить гостей. Думаю, что главное применение этой модели — это подарок человеку, у которого «всё есть», или школьнику, чтобы заинтересовать физикой и наглядно продемонстрировать термодинамические законы.

Двигатель Стирлинга. Устройство и принцип работы

Двигатель внутреннего сгорания вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.

С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.

Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.

Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):

Роберт Стирлинг

История двигателя Стирлинга

Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

P*V=n*R*T

здесь

  • P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
  • V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
  • n – молярное количество газа в двигателе;
  • R – постоянная газа;
  • T – степень нагрева газа в двигателе К,

Модель двигателя Стирлинга:

Модель двс Стирлинга

За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

Цикл

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.

Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):

Идеальный цикл Стирлинга

Идеальные круговые явления:

  • 1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;
  • 2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
  • 3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
  • 4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объём»):

диаграмма давление-объём

Из расчёта (моль) вещества:

Подводимое тепло:

Стирлинга форул1

Получаемое охладителем тепло:

Стирлинга форул2

Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):

Стирлинга форул3

R – Универсальная постоянная газа;

СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.

За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

КПД кругового явления:

ɳ =Стирлинга форул4

Примечательно, что без теплообменника совокупность процессов Стирлинга осуществима, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение совокупности процессов задом наперёд ведёт к описанию охлаждающего механизма. В этом случае наличие регенератора, обязательное условие, поскольку при прохождении (3-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Так же невозможно отдать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

Принцип работы двигателя

Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.

работает двигатель Стирлинга

Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.

Поршень расположен в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.

Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещаясь, пропускает вещество через торцевые щели ко дну, сам охлаждается. Поршень стоит неподвижно.

Вещество получает тепло, под действием тепла увеличивается в объёме и поднимает расширитель с поршнем вверх. Совершается работа, после чего вытеснитель опускается на дно, выталкивая вещество и охлаждаясь.

Поршень опускается вниз, сжимает охлаждённое вещество, выполняется полезная работа. Маховик служит в конструкции аккумулятором энергии.

Рассмотренная модель без регенератора, поэтому КПД механизма не велико. Тепло вещества после совершения работы отводится в охлаждающую жидкость, используя стенки. Температура не успевает снижаться на нужную величину, поэтому время охлаждения продлевается, скорость мотора маленькая.

Виды двигателей

Конструктивно, есть несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, основными видами считаются:

  • Двигатель «α – Стирлинг»:
  • Двигатель α – Стирлинг

Конструкция применяет два разных поршня, помещенных в различные контуры. Первый контур используется для нагрева, второй контур применяется для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство обладает хорошим соотношением мощности к объёму. Недостаток в том, что температура горячего регенератора создает конструктивные сложности.

  • Двигатель «β – Стирлинг»:

Двигатель β – Стирлинг

Конструкция использует один замкнутый контур, с разными температурами на концах (холодный, горячий). В полости расположен поршень с вытеснителем. Вытеснитель делит пространство на холодную и горячую зону. Обмен холодом и теплом происходит путём перекачивания вещества через теплообменник. Конструктивно, теплообменник выполняется в двух вариантах: внешний, совмещённый с вытеснителем.

  • Двигатель «γ – Стирлинг»:

Двигатель γ – Стирлинг

Поршневой механизм предусматривает применение двух замкнутых контуров: холодного и с вытеснителем. Мощность снимается с холодного поршня. Поршень с вытеснителем с одной стороны горячий, с другой стороны холодный. Теплообменник располагается как внутри, так и снаружи конструкции.

Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:

  • Роторный двигатель Стирлинга.

Роторный двс Стирлинга

Конструктивно изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Заложен синергетический подход реализации цикла. Корпус содержит радиальные прорези. В углубления вставлены лопасти с определённым профилем. Пластины надеты на ротор и могут двигаться вдоль оси при вращении механизма. Все детали создают меняющиеся объёмы с выполняющимися в них явлениями. Объёмы различных роторов связаны при помощи каналов. Расположение каналов имеют сдвиг в 90° друг к другу. Сдвиг роторов относительно друг друга составляет 180°.

  • Термоакустический двигатель Стирлинга.

Термоакустический двс Стирлинга

Двигатель использует акустический резонанс для проведения процессов. Принцип основан на перемещении вещества между горячей и холодной полостью. Схема уменьшает количество движущихся деталей, сложность в снятии полученной мощности и поддержании резонанса. Конструкция относится к свободнопоршневому виду мотора.

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

Низкотемпературный двс Стирлинга

  • Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
  • Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
  • Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
  • Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
  • В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
  • Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
  • Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
  • Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;

упругую перепонку1

  • Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
  • Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
  • Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.

упругую перепонку2

Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.

Преимущества

Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

  • Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
  • Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
  • Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
  • Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
  • Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
  • Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
  • Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

Недостатки

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

  • Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
  • Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
  • Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
  • Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
  • Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

Использование

Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно применяется там, где габариты и всеядность важный критерий:

  • Двигатель Стирлинг-электрогенератор.

Механизм преобразования тепла в электрическую энергию. Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установки по использованию солнечной энергии.

  • Двигатель, как насос (электрика).

Двигатель применяют для установки в контур отопительных систем, экономя на электрической энергии.

  • Двигатель, как насос (обогреватель).

В странах с тёплым климатом двигатель используют как обогреватель для помещений.

Двигатель Стирлинга на подводной лодке:

Стирлинга на подводной лодке

  • Двигатель, как насос (охладитель).

Практически все холодильники в своей конструкции применяют тепловые насосы, устанавливая двигатель Стирлинга, экономятся ресурсы.

  • Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.

Устройство применяют в качестве холодильника. Для этого процесс запускают в обратную сторону. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.

  • Двигатель для подводной техники.

Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.

Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:

Стирлинга в солнечной установки

  • Двигатель, как аккумулятор энергии.

Топливо в таких агрегатах, расплавы соли, двигатель применяют, как источник энергии. Мотор по запасу энергии опережает химические элементы.

  • Солнечный двигатель.

Преобразуют энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае, водород или гелий. Двигатель ставится в фокусе максимальной концентрации энергии солнца, созданного при помощи параболической антенны.

Двигатель Стирлинга, принцип работы

В этом двигателе основным нововведением является наличие промежуточного контура, выполняющего роль буферной емкости для отработанного газа и временного замедлителя, дающего возможность нагреть газ за  время движении кулачка по промежуточному контуру. Размеры контуров можно менять, газовые магистрали также можно изменять, можно отказаться от клапанов, внутри ротора можно разместить электродвигатель, тем самым конструкция будет полностью герметичной, или заменить рекуператор регенератором, и т.п. Достоинство конструкции в относительной простоте, аналогичные схемы давно используются в гидронасосах высокого давления. Современные достижения трибологии позволяют обойтись без смазки и без «компрессионных» устройств. Роторный принцип имеет значительные положительные качества, которые недоступны поршневым двигателям, и первое из них — это миниатюрность, позволяющая сделать не только миниатюрным сам двигатель, но и разместить внутри него электрогенератор без существенного увеличения размеров. Другое важное преимущество — постоянство крутящего момента, т.к. плечо ротора постоянно. Еще одно преимущество — это строгая очередность протекания тактов — ротор переходит в следующий сегмент только после того, как полностью отработал в предыдущем, в поршневом же двигателе движение поршней подчинено синусоидальному закону, что снижает усилие газа на величину противодавления. К тому же, многие конструкции содержат газовый демпфер, т.е. картер под давлением, что также снижает мощность на величину противодавления в картере. Немаловажным качеством является и то, что отсутствуют возвратные движения, ротор движется только поступательно, нет необходимости демпфирования, что также увеличивает эффективный кпд. Еще одним положительным качеством является то, что в теплопереносе участвует весь объем рабочего тела, а не часть его, как в поршневых двигателях.

РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА
(принцип работы)

                fig1.jpg

На фигуре 1 изображена   секция   роторного  двигателя внешнего сгорания с кулачковым ротором.

                    fig2.jpg

На фигуре 2 изображены такты  рабочего цикла  роторного  двигателя   внешнего сгорания.

                     fig3(1).jpg

На фигуре 3 изображена   секция   роторного двигателя внешнего сгорания с роликовым ротором.

Роторный двигатель внешнего сгорания состоит из преобразователей энергии механической и тепловой. Секция двигателя внешнего сгорания содержит один статор 16 (фиг.1), оборудованный тремя подвижными пластинами 6, 12, 17, прижимаемыми к  поверхности ротора 13 посредством пружин 28, 11, 19.  Статор 16 с торцов закрыт торцевыми крышками (не показаны). Внутри статора 16 на силовом вале 15 вращается  по стрелке «а» ротор 13, оборудованный кулачками 14 и, возможно, 9. Внутренний объем статора посредством подвижных пластин 6, 12, 17 разделен на силовой («с»), промежуточный  («п») и   вытеснительный («в»)  контуры, а сами пластины герметично прижимаются под действием пружин 28, 11, 19  к ротору 13 и    к  торцевым крышкам и тем самым противодействуют  проникновению рабочей среды  из одного контура в другой,  минуя    каналы, соединяющие эти контуры. При прохождении через подвижные пластины   кулачка  14 ротора 13 подвижные пластины отжимаются в тело  статора 16. Каналы  разделяются на выходной 24, оборудованный обратным или  выпускным клапаном   18, перепускной 29, оборудованный обратным клапаном 20, и, при наличии на роторе 13 кулачков 9, 14, входные – 3, 2, оборудованные   впускными клапанами 7, 8 и обратными клапанами 1, 30. Каналы проходит, как правило, через преобразователь тепловой энергии, состоящий из нагревателя («н») 5, регенератора  («р») 26 и холодильника («х») 4 (или в обратной последовательности), но, для уменьшения  динамического сопротивления и удобства компоновки, возможна схема проводки каналов как на фигурах 1, 2, которые  проходят через регенератор  и/или через какой-либо из конечных преобразователей тепловой энергии. Внутренний объем статора и каналов заполнен рабочей средой, которой может быть, например, газ — пар, водород, гелий или другой подходящий для этого наполнитель.

Роторный двигатель внешнего сгорания работает следующим образом. Запуск   двигателя   производится после разогрева нагревателя («н») 5 и охлаждения холодильника («х») 4 и  принудительного проворота силового вала 15 по стрелке «а»   на один-два оборота. При этом  замкнутый цикл  Стирлинга осуществляется за три такта при постоянно протекающем выпуске (фиг.2): положение I –   сжатие-впуск;  положение  II – перепуск-охлаждение,нагрев; положение III – рабочий ход. Стрелками показано движение газа: волнистой – горячего, пунктирной – теплого, ровной – холодного.

Такт I  — сжатие-впуск – вытеснение в регенератор холодного газа и после его предварительного подогрева проталкивание его в нагреватель. Кулачек 14 ротора 13 движется по стрелке «а» в    вытеснительном контуре  «в»  и,  сжимая холодный газ (рабочую среду) в этой области   статора 16,  вытесняет его в канал 27, проходящий через регенератор 26 и, по каналу 3, в нагреватель 5. В увеличивающуюся нижнюю область контура «в» при продвижении в ней кулачка 14 втягивается из канала 29 холодный газ, выходящий из промежуточного контура «п» через холодильник 4.  При этом после выхода кулачка 14 из контура «в» в контур «п» обратные клапаны 25,30,1 не позволят газу после увеличения объема вследствие нагрева переместиться в контур «в».

Такт II —  перепуск-охлаждение,нагрев. При продвижении кулачка по контуру «п» происходит вытеснение  теплого газа  через холодильник 4 (где происходит его охлаждение)  в контур «в». При этом в контур «п» газ поступает под давлением  или засасывается из силового контура «с», пройдя предварительно через регенератор «р» и оставив там часть тепла. За время продвижения кулачка 14 по контуру «п» происходит достаточный нагрев газа в нагревателе 5, при этом газ концентрируется  в нагревателе, где его удерживают обратный клапан 30 и впускной клапан 8.

Такт III –   рабочий ход. При вхождении кулачка 14 в силовой контур «с» после прохождения им   подвижной пластины 12 принудительно открывается впускной клапан 8, при этом горячий  газ под большим давлением толкает кулачек 14 (т. к. пластину 12 сдвинуть невозможно) по стрелке «а», тем самым осуществляется вращение силового вала 15. . Одновременно кулачком 14 вытесняется  горячий газ из силового контура «с», оставшийся  там после предыдущего рабочего хода, в регенератор 26, ранее охлажденный проходом холодного газа, где отдает часть теплоты, и   затем поступает в    промежуточный контур «п». В момент перехода кулачка 14 через подвижные пластины (6, 12 или 17, фиг.1) – последние отжимаются кулачком за внутреннюю поверхность статора 16 и беспрепятственно пропускают кулачек 14 (подвижные пластины всегда  прижаты пружинами  11, 19, 28 к  поверхности кулачка 14 и ротора 13), при этом происходит отсекание газа и обеспечивается герметичность контуров. Далее процесс повторяется.

Выпуск горячего газа из контура «с» в канал 24 открыт постоянно.


Для осуществления двукратного действия (т.е. количества рабочих  ходов за один оборот силового вала)  требуется  дооборудование ротора 13 дополнительным  кулачком  9 (что улучшит балансировку ротора), и  нагревателя 5 дополнительным входным каналом 2 с обратным клапаном 1 и впускным клапаном 7. При этом теплый газ из регенератора 26 под действием кулачков 14, 9 будет поочередно вталкиваться в каналы 2 или 3, т. к. если в одном из них будет происходить нагрев, то высокое давление не позволит втолкнуть в него порцию газа, поэтому газ войдет в канал, в котором  уже упало давление.  Каналы 2 и 3 соединены с впускным каналом 10, впуск горячего газа в который регулируется впускными клапанами 7, 8.  Таким образом, увеличивая количество кулачков ротора и входных каналов кратность можно увеличить до разумной достаточности.

В описанном двигателе отсутствует осаждение продуктов сгорания или реакций на внутренней поверхности статора от рабочей среды, что позволит применить в нем роликовый ротор  13 (фиг.3), посаженный  на кривошип  31  силового вала 15   и катящийся по внутренней поверхности статора 16.


По страницам старых публикаций

Изобретение, о котором пойдет рассказ, родилось сто пятьдесят лет назад. Его отец — шотландский священник Роберт Стирлинг — присвоил своему детищу имя «Воздушный Тепловой Двигатель». Ребенок оказался неуклюжим, капризным и маломощном. Он не смог соперничать с всесильной в те годы паровой машиной. Его забыли.

 

Вторично двигатель Стирлинга родился накануне второй мировой войны. Голландская радиофирма искала удобные источники электроэнергии для радиоаппаратуры, поставляемой в отдаленные уголки земного шара. Приспособить бензиновые движки? Значит, везти за тридевять земель бензин. Снабжать радиоаппаратуру сухими батареями? Громоздкие, тяжелые батареи — тоже не выход из положения.

Вспомнили про двигатель Стирлинга. Но ведь в свое время из двигателя «выжимали» всего лишь три процента полезного действия. Опытные инженеры все же сели за расчеты. Шотландский священник не знал термодинамики, такая наука в его время еще не существовала. Теперь теоретически получили поразительный результат. «Стирлинг» (так назвали вторично рождаемый двигатель по аналогии с «дизелем») может иметь кпд 70% ! Неслыханно! Сенсационно!

Началась война. Тайком от немцев голландцы построили первые стирлинги с кпд 40%. Как видите, это не был семидесяти процентный теоретический потолок. Но вспомним, что лучшие образцы газовых турбин имеют кпд около 25%, авиационные бензиновые моторы, в которых конструкторские хитрости использованы до предела, могут похвастаться своим кпд в пределах 30%.

А уже после войны, в 50-е годы, специалистов, работающих над проблемами сжижения газов, взбудоражило известие о том, что в Голландии создана очень простая, умещающаяся на письменном столе машина, сжижающая пять литров воздуха в час. Многие не поверили. Ведь сжижение газов происходит в сложных громоздких установках, состоящих из компрессоров, детандеров, теплообменников Но сообщение оказалось верным. Высокоэкономичная «газовая холодильная машина» существовала и работала .. по такому же циклу, как и двигатель Стирлинга. Точнее, то был просто стирлинг, работающий «наоборот». Не он приводил в действие какой-либо механизм, а, наоборот, электродвигатель раскручивал его. При этом головка двигателя (та его часть, которую при обычной работе стирлинг; нагревают) охлаждалась до —1900 С. И опять теоретики пришли к инженерам с удивительными выкладками: для сжижения воздуха, азота и водорода нет машины более эффективной, чем стирлинг-холодильник. Причем стирлинг в новой роли позволяет получать любую температуру в пределах от 0 до —2000 С. Такими достоинствами другие установки для получения низких температур не обладают.

Наши предки знали, что стирлинг— это машина-оборотень, умеющая работать и как двигатель и как холодильник. Еще в 1862 году построили такую газовую холодильную машину. Построили… и забросили. Слишком несовершенной она тогда оказалась.

Но вернемся к стирлингу-двигателю. Чем отличается он от двигателей внутреннего сгорания? Тем, что внутри цилиндра стирлинга ничего не взрывается, ничего не горит, не воспламеняется. Тепло к цилиндру подводится снаружи. Это «двигатель внешнего сгорания». Или еще точнее — внешнего нагревания. Головку двигателя можно нагревать солнечными лучами, атомным реактором или… дровами. Один и тот же мотор будет работать на любом виде топлива — от твердого до газообразного. Если двигатель внутреннего сгорания нуждается а специально подготовленном, очищенном, отфильтрованном топливе, то стирлинг довольствуется соломой, углем, древесными отходами, любым топливом, какое только подвернется под руку. А маленькая моделька стирлинга работает от тепла ладони.

Подробно цикл работы стирлинга показан на рисунке ниже.

Так работал первый стирлинг.

Сейчас на атомных кораблях энергия атома проходит длинную цепь превращений: реактор греет теплоноситель, теплоноситель — воду, вода превращается в пар, пар вращает генератор, ток от генератора приводит в действие электродвигатель, тот вращает винт. А стирлинг можно просто прислонить головкой к горячей стенке атомного реактора, и он непосредственно будет вращать винт. Хочешь — плыви на поверхности, хочешь — под водой: Стирлингу не надо воздуха, у него нет отравляющих атмосферу выхлопных газов. Еще одно достоинство такой установки — очень просто перейти с ядерного горючего на обычное топливо. Пришел корабль в порт — реактор выключают, двигатель продолжает трудиться на жидком топливе. Моряки считают, что стирлииги постепенно «завоюют» флот.

Теперь вспомним, что есть вещества, поглощающие при плавлении очень много тепла. Например, фтористый литий, гидрид лития, окись алюминия. Семь литров расплавленной окиси алюминия, только застывая, отдают столько тепла, сколько получается при сжигании литра бензина. Значит, вместо бака с горючим можно приспособить к Стирлингу ящик с расплавленным веществом — тепловой аккумулятор. Действительно, уже работает грузовой мотороллер мощностью в 3 л. с. В его аккумулятор заливают ведро расплавленного фтористого лития. Стирлинговые мотороллеры, не знающие электрических искр и раскаленных выхлопных газов, станут незаменимыми для цехов со взрывоопасной атмосферой и в шахтах.

Стирлинги с тепловым аккумулятором из гидрида лития уже побывали на искусственном спутнике Земли. Когда спутник летит над освещенной Солнцем стороной Земли, работают солнечные батареи, а гидрид лития под жаркими лучами плавится, накапливая тепло. Когда спутник попадает в тень Земли, заступает на вахту стирлинг. Сменяя солнечные батареи, он начинает работать за счет тепла гидрида лития и снабжает током аппаратуру спутника.

Учитывая житейскую мудрость: «все на свете относительно», можно заставить стирлинг работать в космосе, «нагревая» его головку только до 0° С. Ведь для двигателя важна разница, перепад температур, а в космосе температура окружающего пространства значительно ниже нуля.

И еще одно достоинство Стирлингов: подогрев рабочего газа внутри цилиндра идет у них постепенно, а не взрывоподобно, как у двигателей внутреннего сгорания. Поэтому работает он плавно и почти бесшумно. А работа без вибрации и толчков — залог невероятной долговечности.

Плохо, когда слишком нервный или просто несдержанный человек «заводится с полуоборота». Но для двигателей такой «характер» — недостижимый идеал. Все знают, как мучаются зимой шоферы, пытаясь заставить биться сердца своих машин. А стирлинг в любую погоду запускается мгновенно, стоит только чуть подогреть его головку.

Конечно, есть у нового двигателя и недостатки. Больное его место — отвод тепла в окружающее пространство. Он требует радиатора-охладителя в 2,5 раза большего, чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Некоторых инженеров пугает мудреный вид кривошипного механизма. Но… и на Солнце есть пятна!

1 — головка; 2 поршень-вытеснитель; 3 — регенератор; 4 — холодильник-радиатор; 5 — главный поршень; 6 — буферная емкость; 7 — кривошипный механизм.

I.    СЖАТИЕ: главный поршень движется вверх. На этот ход его вынуждает газ, сжатый в буферной емкости. Двигаясь, главный поршень уменьшает внутренний объем машины и таким образом сжимает газ.

II.    ПЕРЕТАЛКИВАНИЕ И НАГРЕВАНИЕ: поршень-вытеснитель опускается вниз и передавливает газ из камеры сжатия в камеру расширения. Газ нагревается в регенераторе, а затем в головке.

III.    РАБОЧИЙ ХОД. Нагретый газ, расширяясь, устремляется в камеру сжатия, где, раздвигая поршни, совершает механическую работу. Часть тепловой энергии остается в регенераторе, другая часть отдается газу в буферной емкости. При расширении в камере сжатия газ интенсивно охлаждается холодильником.

Сейчас человечество впервые всерьез заговорило о прогулках по Луне, Марсу и Венере. На листах ватмана стали появляться причудливые контуры вездеходов и танкеток, «шароциклов» и машин с квадратными колесами или паучьими ногами. Для инопланетного транспорта не подходят завоевавшие Землю двигатели внутреннего сгорания и турбины: им нужно слишком много воздуха, а электродвигатели требуют тяжелых аккумуляторов. Вероятно, именно стирлинг станет сердцем инопланетных вездеходов.

Пройдет немного времени, и жители больших городов забудут о ядовитом тумане выхлопных газов, исчезнет мешающее отдыхать и спать тяжелое урчание грузовиков и автобусов, а космонавты будут кататься по Луне на космопедах с двигателем-оборотнем.

К. ЧИРИНОВ, В. МИНИШЕВ, Ю.Т 1962 г.

Смотрите также: Двигатели Стирлинга / STIRLING ENGINES

 


«Холодильник» или теплонасос — Двигатели Стирлинга

Обратимость цикла стирлинга только теоретическая.

Практически из хорошего двигателя хороший тепловой насос

не получится.

1 степень сжатия ТНС (отношение максимального объема к

минимальному) должно быть в разы больше — по условию пере-

работки достаточной мощности.

2 температурный напор ТНС полностью зависит от качества

регенератора.

3 хорошая теплоизоляция между горячей и холодной зоной для

предотвращения теплового короткого замыкания.

Низкая рабочая температура позволяет применять другие материалы.

Все, кроме теплообменников и узлов трения можно делать

из пластика. А для повышения мощности упрятать весь агрегат

в герметичный контейнер под давлением.

 

Во многом вы правы но-

1- высокоэффективный регенератор проблема только для любителей, в масштабах производства проблема решена в 70х годах.

2- Степень сжатия нужно как раз снижать, а не увеличивать. Мощность наращивают как и в двигателях надувом, благо герметичный ввод электричества легче чем вращательного момента.

Поясню, при характерных значениях степени сжатия как у двигателя Стирлинга, обратный цикл дает разницу температур ( -160, + 50)

где то 210 град цельсия (столько же в кельвинах),

Холодильный коэфициент — это отношение температуры охлаждения -160= 113 кельвин 113/210=0.54 — смешной правда?

Чем меньше разница температур, тем выше холодильный коэффициент.

Для температур -40,+50, это 90 град. -40=233 кельвина 233/90= 2.58 — уже лучше чем у парокомпрессионой установки для -40.

 

Проблема для фреоновой установки в том что трудно наращивать разницу температур.

Для обратного Стирлинга наоборот трудно снизить эту разницу (и соответственно увеличить холодильный коэфф)

Но если для парокомпрессионого цикла это физический предел, увеличение наклона кривой при росте давления

post-136427-025507100_1518856817_thumb.jpg

то для обратного стирлинга это чисто техническая проблема.

 

3. По материалам да. даже картон успешно применяют.

 

Касаемо теплового насоса, парокомпрессионые системы приходят к коэффициенту 1 на уровне -12 -15 градусов на улице. За счет регенеративности цикла стирлинга для таких температур коэфф видится около 3 (без учета потерь конечно)

 

Так что фреон скоро потеснят, и зеленые помогут этому.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о