Двигатель Стирлинга

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

Хронологию событий, связанную с разработкой двигателей времен 18 века, вы можете наблюдать в интересной статье — «История изобретения паровых машин». А эта статья посвящена великому изобретателю Роберту Стирлингу и его детищу.

История создания.

Патент на изобретение двигателя Стирлинга как ни странно принадлежит шотландскому священнику Роберту Стирлингу. Его он получил 27 сентября 1816 года. Первые «двигатели горячего воздуха» стали известны миру ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Одним из важных достижений Стирлинга является добавление очистителя, прозванный им же самим «экономом».

В современной же научной литературе этот очиститель имеет совсем другое название — «рекуператор». Благодаря ему производительность двигателя растет, поскольку очиститель удерживает тепло в тёплой части двигателя, а рабочее тело в то же время охлаждается. Благодаря этому процессу эффективность системы значительно возрастает. Рекуператор представляет из себя камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходит через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдаёт (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (отдаёт) его. Рекуператор может быть и внешним по отношению к цилиндрам и может быть размещён на поршне-вытеснителе в бета- и гамма-конфигурациях. Габариты и вес машины в этом случае меньше. В коей мере роль рекуператора выполняется зазором между вытеснителем и стенками цилиндра (если цилиндр длинный, то надобности в таком устройстве нет вообще, однако появляются значительные потери из-за вязкости газа). В альфа-стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором со стороны холодного поршня, происходит нагрев рабочего тела.

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

Недостатки.

• Материалоёмкость — основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

• Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела — водород, гелий.

• Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

• Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Преимущества.

Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.

• «Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.

• Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.

• Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.

• Экономичность — в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.

• Бесшумность двигателя — стирлинг не имеет выхлопа, а значит — не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).

• Экологичность — сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

Альтернатива паровым двигателям.

В 19 веке инженеры пытались создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, из-за того что котлы уже изобретенных двигателей часто взрывались, не выдерживая высокого давления пара и материалов, которые совсем не подходили для их изготовления и постройки. Двигатель Стирлинга стал хорошей альтернативой, поскольку он мог преобразовывать в работу любую разницу температур. В этом и заключается основной принцип работы двигателя Стирлинга. Постоянное чередование нагревания и охлаждения рабочего тела в закрытом цилиндре приводит поршень в движение. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Но так же проводились опыты и с водой. Главная особенность двигателя Стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры,большие рабочие давления и высокая удельная мощность. Также существует Стирлинг с двухфазным рабочим телом. Удельная мощность и рабочее давление в нем тоже достаточно высоки.

Возможно, из курса физики вы помните, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Именно это свойство газов и заложено в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который не уступает циклу Карно по термодинамической эффективности, и в некотором роде даже обладает преимуществом. Цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация такого цикла сложна и малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Всего в цикле Стирлинга четыре фазы, разделённые двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, который находится в цилиндре. В ходе этого процесса изменяется давление из чего и можно получить полезную работу. Полезная работа производится только за счет процессов, проходящих с постоянной температурой, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

Конфигурации.

Инженерами подразделяются двигатели Стирлинга на три различных типа:

Превью — увеличение по клику.

• 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, а цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. Отношение мощности к объёму достаточно велико, однако высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

• Бета-Стирлинг — цилиндр 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 — 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.

Современный двигатель Стирлинга

Пост опубликован: 14 апреля, 2020

Двигатель Стирлинга альтернативный источник электричества и тепла

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

Двигатель внешнего сгорания

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

Остальные достоинства можно обозначить так:

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

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

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

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

На фото автомобиль AMC Spirit Stirling experimental engines

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

На фото автомобиль NASA’s Stirling-engined Dodge D-150

Двигатели Стирлинга используются НАСА(NASA) даже в космических аппаратах.

Но у них есть и недостатки.

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

На фото автомобиль P-40 OPEL STIRLING ENGINE

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

Серийные генераторы и микроТЭЦ на двигателе Стирлинга

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

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

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

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

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

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

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

Корейская фирма выпускает аналогичное устройство Navien Hybrigen SE.

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

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

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

Сложности отечественного производителя

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

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

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

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

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

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

Альтернативные источники тепла для генератора Стирлинга

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Альтернативный генератор Стирлинга в свой дом

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

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

Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы:

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на наш канал, Если статья Вам понравилась!

Следите за нами в твиттере: Источник https://twitter.com/Alter2201

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши КОМЕНТАРИИ (Ваши Комментарии очень помогают развитию проекта)

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее.

http://autohis.ru/stirling.php
Источник http://alter220.ru/news/sovremennyj-dvigatel-stirlinga.html