Двигатель стирлинга кпд: Термоакустический двигатель – двигатель Стирлинга без поршней / Хабр

Содержание

Термоакустический двигатель – двигатель Стирлинга без поршней / Хабр

Двигатель Стирлинга

– двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.

Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно [1]. Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники [2]. К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).




Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа

Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный.

Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.

Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.

Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.

Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.

В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).


Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга

На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.

Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.

Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.

В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).


Рисунок 3 — График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.

Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.

Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).


Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной

Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?

Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.

Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.


Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.

Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.

Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.

В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору [3].


Рисунок 6 – Схема импульсной турбины

Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.
А так турбина выглядит у них в реальности:


Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины

Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.

Так же, я разрабатываю собственный термоакустический двигатель, подробнее о котором можно узнать в этой статье:«Создание и запуск термоакустического двигателя»

Список использованных источников

[1] М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
[2] Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
[3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

Как построить эффективный тепловой насос Стирлинга?

Двигатели или тепловые насосы Стирлинга — это системы, которые могут работать при невероятно малой разности температур. Некоторым вариантам двигателей Стирлинга для работы достаточно даже тепла человеческого тела. В статье мы рассматриваем динамику этой интересной машины, которую можно построить в домашних условиях, и показываем, как создать её модель в COMSOL Multiphysics.

Современные применения старой идеи

Сначала немного истории двигателя Стирлинга. Разработанный два века назад в 1816 году Робертом Стирлингом двигатель в то время называли «двигателем будущего». Хотя эта технология так и не стала действительно популярной, двигатели Стирлинга широко используются во многих современных прикладных задачах. Например, солнечный вариант двигателя Стирлинга непосредственно преобразует солнечное тепло в механическую энергию, которая в свою очередь приводит в движение генератор и производит электричество. Кроме того, этот же подход используется для получения энергии из геотермальных источников и тепловых сбросов промышленных предприятий. Вероятно, самая удивительная область, в которой нашли свое применение двигатели Стирлинга — это шведские подводные лодки; в них двигатели Стирлинга обеспечивают тягу даже без доступа к воздуху.

От тепловой энергии к механической работе

Мы рассказали о некоторых применениях двигателей Стирлинга, но каков же принцип работы этого устройства? В двигателе Стирлинга тепловая энергия преобразуется в механическую работу в ходе циклического процесса. Детали реализации могут отличаться, но основной принцип остается неизменным. Рабочее тело проходит через четыре процесса: охлаждение, сжатие, нагрев и расширение. Теплота переносится газом от горячей стороны двигателя к холодной. КПД двигателя не превосходит КПД цикла Карно.

В отличие от обычных двигателей, двигатели Стирлинга не требуют для своей работы высоких температур. Некоторые двигатели успешно работают при небольшой разности температур между горячей и холодной сторонами. Кроме того, для них характерен очень низкий уровень шума и соответствующих потерь энергии, поскольку в рабочем процессе не происходят взрывы и не выделяются выхлопные газы. В то же время двигатели Стирлинга лучше всего подходят для прикладных задач, в которых требуется обеспечить постоянную мощность, поскольку динамически регулировать их мощность чрезвычайно сложно. Это, вероятно, самая главная причина, по которой мы до сих пор не управляем автомобилями с двигателями Стирлинга.


Двигатель Стирлинга, работающий от тепла человеческой ладони. (Изображение «Двигатель Стирлинга, который работает только от разности температур между окружающим воздухом и ладонью». Собственная работа участника Arsdell. Доступно по лицензии Creative Commons «Атрибуция — На тех же условиях» 3.0 на Викискладе).

Как построить свой собственный двигатель Стирлинга

Если у вас есть опыт ручной работы, вы можете сами собрать двигатель Стирлинга в домашних условиях даже без профессиональных инструментов и соответствующего опыта. На YouTube вы можете найти несколько видеоуроков и пошаговых руководств по сборке двигателя. Самый простой вариант можно собрать из банки из-под колы и других ненужных в хозяйстве вещей.

Конечно, КПД такого двигателя Стирлинга вряд ли будет оптимальным. Более подходящим решением является создание численной модели двигателя.

Моделирование теплового насоса Стирлинга в COMSOL Multiphysics

С помощью численной модели двигателя Стирлинга мы можем подобрать и испытать различные сочетания материалов и настройки параметров. Процесс описывается уравнениями теплопередачи и гидродинамики, а для упрощенного описания механической составляющей процесса достаточно решить дополнительное обыкновенное дифференциальное уравнение — уравнение движения.

Двухмерная осесимметричная модель состоит из основного цилиндра, который содержит рабочее тело (воздух) и поршень. В малом цилиндре вверху расположен приводной поршень. Оба поршня соединены параллельно и двигаются на коленчатом валу, на котором они разнесены по фазе на 90°. Коленчатый вал в модель не включен. Такой вид двигателя Стирлинга называется гамма-конфигурацией.


Модель теплового насоса Стирлинга.

Здесь задача теплопередачи в рабочем газе уже решена. Механическая сторона процесса реализуется с помощью подвижной сетки (ALE). Вытеснитель и приводной поршень могут свободно двигаться в направлении z. Установленное смещение соответствует режиму теплового насоса. При этом механическая работа используется для передачи тепловой энергии в направлении, противоположном направлению самопроизвольной передачи теплоты. Обратный процесс — собственно работу двигателя Стирлинга — можно моделировать, используя источник тепла и рассчитывая конечные силы давления на приводной поршень и вытеснитель. В любом случае, система проходит цепочку процессов, которые соответствуют четырем стадиям цикла Карно:


Термодинамические процессы, действующие на рабочее тело.

КПД такого цикла далек от цикла Карно, но полученный график зависимости давления от объема, который вы видите ниже, совпадает с экспериментальными данными.


График зависимости давления от объема в цикле Стирлинга.

Основное преимущество модели заключается в том, что мы можем изучать физические явления в тепловом насосе. Например, представленное ниже анимированное изображение показывает распределение скоростей во время работы теплового насоса.

Распределение скоростей во время работы теплового насоса.

Поршень передает механическую энергию, требуемую для перекачки тепла, а значит, мы можем изучить динамическое распределение температуры во время работы теплового насоса.

Анимация, показывающая распределение температуры.

Увеличение КПД

Чтобы увеличить КПД двигателя Стирлинга, необходимо максимизировать площадь замкнутой области на графике «давление-объем» (pV-диаграмме). Эта площадь соответствует работе, совершенной двигателем. Общий КПД двигателя можно увеличить несколькими способами. Выбор в качестве рабочего тела газа с высокой удельной газовой постоянной (например, с малой молярной массой) максимизирует работу, которую может произвести двигатель в процессе изотермического расширения. Поэтому в качестве рабочего газа обычно используют водород или гелий. Кроме этого, можно максимизировать передачу тепла через вытеснитель, используя пористый вытеснитель-регенератор (см. эту статью).

Двигатель Стирлинга

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)
Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
26455 2

Важным новым источником механической энергии для привода автомобиля является двигатель Стирлинга. Он почти неизвестен, существуют только его прототипы [2], поэтому можно дать лишь беглое описание его принципа действия и конструкции. В первоначальном виде он существовал как тепловая расширительная машина, в цилиндре которой рабочее тело, например, воздух, перед сжатием охлаждался, а перед расширением — нагревался. Схема и принцип действия такого двигателя показаны на рис. 1.

Рис. 1. Схема и принцип действия двигателя Стирлинга:
1 — цилиндр; 2 — охлаждающая рубашка; 3 — рабочий поршень; 4 — вытеснитель; 5 — шток вытеснителя.

В верхней части цилиндра 1 имеется водяная охлаждающая рубашка 2, а дно цилиндра постоянно нагревается пламенем. В цилиндре размещен рабочий поршень 3 уплотненный поршневыми кольцами и соединенный шатуном с коленчатым валом (на рисунке коленчатый вал не показан). Между дном цилиндра и рабочим поршнем находится поршень-вытеснитель 4, который перемещается в цилиндре с большим зазором. Заключенный в цилиндре воздух через этот зазор перекачивается вытеснителем 4 либо к днищу рабочего поршня, либо к нагреваемому дну цилиндра. Вытеснитель приводится в движение штоком 5, проходящим через уплотнение в поршне, и приводимым эксцентриковым механизмом, который вращается с углом запаздывания около 90° по сравнению с механизмом привода рабочего поршня.

В положении а поршень находится в НМТ (нижняя мертвая точка) и охлаждаемый стенками цилиндра воздух заключен между ним и вытеснителем. В следующей фазе б вытеснитель движется вверх, а поршень остается в НМТ. Воздух между ними выталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром к дну цилиндра и при этом охлаждается стенками цилиндра. Фаза в является рабочей, в течение которой воздух нагревается горячим дном цилиндра, расширяется и выталкивает оба поршня вверх к ВМТ (верхняя мертвая точка).

После совершения рабочего хода вытеснитель возвращается в нижнее положение к дну цилиндра и выталкивает воздух через зазор между стенками цилиндра в камеру под поршнем, воздух при этом охлаждается стенками. В положении г холодный воздух подготовлен к сжатию, и рабочий поршень движется от ВМТ к НМТ. Поскольку работа, затрачиваемая на сжатие холодного воздуха, меньше работы, совершаемой при расширении горячего воздуха, то возникает полезная работа. Аккумулятором энергии, необходимой для сжатия воздуха, служит маховик.

В описанном исполнении двигатель Стирлинга имел низший КПД, так как теплоту, содержащуюся в воздухе после совершения рабочего хода, необходимо было отводить в охлаждающую жидкость через стенки цилиндра. Воздух в течение одного хода поршня не успевал охлаждаться в достаточной степени, и требовалось увеличить время охлаждения, вследствие чего частота вращения двигателя также была небольшой. Термический КПД, который зависит, как говорилось ранее, от разницы максимальной и минимальной температур рабочего цикла, был также небольшим. Теплота отработавшего воздуха отводилась в охлаждающую воду и полностью терялась.

Рис. 2. Схема двигателя Стирлинга с регенератором и ромбическим кривошипно-шатунным механизмом:
1 — вытеснитель; 2 — рабочий поршень; 3 — радиатор; 4 — регенератор; 5 — подогреватель с форсункой; 6 — трубки подогревателя; 7 — вход воздуха в подогреватель; 8 — выход отработавших газов из подогревателя.

Двигатель Стирлинга был значительно усовершенствован фирмой «Филипс» («Philips» – Нидерланды). Прежде всего, был применен внешний регенератор теплоты, через который осуществлялась перекачка воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю под действием вытеснителя. Последовательно к регенератору во внешнем контуре был подключен радиатор. Регенератор аккумулирует теплоту воздуха, поступающего после расширения в холодную камеру. При течении воздуха в обратном направлении аккумулятор вновь отдает ему теплоту. Тем самым возрастает разница максимальной и минимальной температур цикла и теплоту необходимо отводить системой охлаждения. Радиатор, размещенный за регенератором, отводит только часть этой теплоты, остальная сохраняется в аккумуляторе и используется вновь. Вследствие этого не только улучшается КПД двигателя, но и увеличивается его максимальная частота вращения, что влияет на мощность и удельную массу двигателя. Теплота отработавших газов подогревателя используется для повышения температуры свежего воздуха, подаваемого в его камеру сгорания. Описанная конструктивная схема двигателя показана на рис. 2.

Поршень 2 является рабочим, он передает давление воздуха на кривошипно-шатунный механизм, а вытеснитель 1 предназначен для перемещения воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю. В положении а воздух из пространства между двумя поршнями поступает через радиатор 3 и регенератор 4 в трубки подогревателя 6 и затем в верхнюю часть цилиндра. Трубки подогревателя размещены в камере сгорания, куда свежий воздух для сгорания подается по каналам 7 и затем, проходя через теплообменник, поступает в зону распылителя форсунки 5; отработавшие газы из подогревателя отводятся через выпускной трубопровод 8.

В положении а воздух сжат и при движении в верхнюю часть цилиндра нагревается сначала в регенераторе, а затем в подогревателе. В положении б весь воздух вытеснен из пространства между двумя поршнями и выполняет работу, перемещая оба поршня в нижнее положение. В положении в после совершения работы рабочий поршень остается в нижнем положении, а вытеснитель 1 начинает выталкивать воздух из верхней части цилиндра в пространство между поршнями через регенератор, в котором воздух отдает значительную часть своей теплоты, и радиатор, где воздух охлаждается еще глубже. В последней фазе цикла г воздух охлажден и вытеснен из верхней части цилиндра в пространство между поршнями, где происходит его сжатие.

Сжатие холодного воздуха, поступление его через регенератор и радиатор в верхнюю часть цилиндра, последующее расширение и охлаждение воздуха представляют рабочий цикл. В цилиндре сохраняется постоянная масса воздуха, поэтому цилиндр работает без выхлопа. Для подогрева можно использовать любой источник тепла. В рассмотренной схеме применен котел на жидком топливе; содержание вредных веществ зависит от полноты сгорания топлива в камере сгорания котла. Поскольку при этом создается режим непрерывного сгорания при относительно низкой температуре и большом избытке воздуха, можно достичь полного сгорания и небольшого содержания вредных веществ.

Преимущество двигателя Стирлинга заключается также в том, что он может работать не только на разнообразных топливах, но дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве как на подводных лодках, так и на спутниках. При использовании теплового аккумулятора с LiF теплота подводится к двигателю по теплопроводу, как это показано на рис. 3.

Рис. 3. Соединение теплового аккумулятора тепла с головкой цилиндра двигатели Стирлинга:
1 — резервуар с LiF; 2 — жидкий натрий; 3 — нагревательная спираль; 4 — теплоизоляция.

В нижней части рис. 2 показан ромбический механизм привода, который управляет движением обоих поршней. Для привода используются два коленчатых вала, соединенных парой шестерен и вращающихся в противоположных направлениях. Концы штока вытеснителя 1 и пустотелого штока поршня 2 через отдельные шатуны соединены с обоими коленчатыми валами. Если кривошипы обоих коленчатых валов находятся в верхнем положении и движутся из положения а в положение б, то шатуны рабочего поршня 2 находятся вблизи ВМТ и он немного перемещается около ВМТ. Шатуны вытеснителя, перемещающегося в этой фазе цикла, движутся вниз и поршень также движется с наибольшей скоростью из положения а в положение б.

Противоположное направление вращения двух коленчатых валов позволяет разместить на них противовесы, необходимые для уравновешивания сил инерции первого порядка и их моментов от возвратно-поступательно движущихся масс, которые существуют у одноцилиндрового и рядных двигателей.

Ромбический механизм имеет еще и то преимущество, что шатуны симметрично передают усилия от штоков поршней на коленчатые валы, а в подшипниках и уплотнениях поршней не возникают боковые силы. Последнее очень важно, так как для работы двигателя с хорошим КПД необходимо высокое рабочее давление.

У обычных кривошипно-шатунных механизмов при высоком давлении на поршень и больших углах отклонения шатуна возникают большие боковые силы, действующие на поршень и являющиеся причиной больших потерь на трение и большого износа. При применении крейцкопфа или же ромбического механизма это отрицательное явление устраняется и можно достичь хорошего уплотнения поршней.

Чтобы штоки не передавали большие усилия на коренные и шатунные подшипники коленчатых валов, под рабочим поршнем поддерживается противодавление, равное среднему рабочему давлению в цилиндре, оно составляет около 20 МПа.

Зависимость индикаторного КПД ηi от удельной литровой мощности Nуд одноцилиндрового двигателя Стирлинга мощностью 165 кВт показана на рис. 4. Температура в подогревателе равна 700 °C, охлаждающей жидкости — 25 °C. Рабочее давление газа составило 11 МПа.

Рис. 4. Зависимость индикаторного КПД ηi двигателя Стерлинга от его удельной литровой мощности при различных видах рабочего тела. Цифры на кривых — частота вращения двигателя в мин-1.

На диаграмме показаны зависимости для трех видов рабочего тела: воздуха, гелия и водорода. Точки с числами на кривых обозначают соответствующую частоту вращения (в мин-1). Видно, что наибольшие значения КПД достигаются при низких значениях удельных мощностей. Заметно также большое различие показателей двигателя при использовании вместо воздуха водорода.

Рис. 5. Уплотнение штока поршня:
C — насосное кольцо; R — регулятор давления.

Высокое давление рабочего тела, действующее в двигателе Стирлинга, требует наличия толстых стенок картера и цилиндра. При применении водорода в качестве рабочего тела масло не должно попадать в рабочее пространство и поэтому необходимо иметь высокогерметичное уплотнение штока поршня. Хорошо зарекомендовало себя цилиндрическое диафрагменное уплотнение в сочетании с масляной подушкой (рис. 5). Диаметры d и d2 выбраны так, чтобы объем масла под диафрагмой сальника не изменялся при перемещении штока. Маслосъемное поршневое кольцо C выполняет функцию насосного элемента, а регулятор R поддерживает давление масла под диафрагмой на уровне среднего давления газа в цилиндре.

Схематический поперечный разрез двигателя Стирлинга с ромбическим механизмом приведен на рис. 6. Это двигатель первого поколения, имеющий картер с высоким избыточным давлением. Двигатель Стерлинга постоянно совершенствуется и его четырехцилиндровая модель второго поколения уже имеет поршень двойного действия. Соединение горячей верхней камеры одного цилиндра с холодной камерой под поршнем соседнего цилиндра позволяет достичь необходимого изменения объема без отдельного поршня-вытеснителя. У четырехцилиндрового двигателя сдвиг между кривошипами поршней соседних цилиндров составляет 90°, что весьма нежелательно.

Рис. 6. Схематический разрез одноцилиндрового двигателя Стерлинга:
1 — выход воздуха из подогревателя; 2 — кольцевая камера сгорания; 3 — горячая камера цилиндра; 4 — вход воздуха в подогреватель; 5 — поршень-вытеснитель; 6 — цилиндр; 7 — камера сжатия (холодная камера) цилиндра; 8 — шток поршня-вытеснителя; 9 — рабочий поршень; 10 — шток рабочего поршня; 11 — траверса рабочего поршня; 12 — шатун рабочего поршня; 13 — шатун поршня-вытеснителя; 14 — траверса поршня-вытеснителя; 15 — топливная форсунка; 16 — горелка; 17 — подогреватель; 18 — трубки подогревателя; 19 — ребра цилиндра; 20 — регенератор; 21 — трубки радиатора; 22 — камера противодавления; 23 — противовес; 24 — приводная шестерня; 25 — коленчатый вал.

Схема соединения соседних цилиндров с таким расположением кривошипов показана на рис. 7. Соединительные трубопроводы связывают горячую камеру, подогреватель, регенератор, радиатор и холодную камеру. Два коленчатых вала вращаются в одном направлении и связаны с поршнями через крейцкопфный механизм. В нижней части рис. 7 на диаграммах жирной линией обозначены фазы цикла, соответствующие положениям 1—4 поршней. Для привода поршней используется или четырехопорный коленчатый вал (двигатели шведской фирмы «Юнайтед Стирлинг») или же наклонная шайба (двигатель «Филипс 4-215DA»).

На рис. 7 показаны последовательные этапы 1—2 — сжатие холодного газа в холодной камере; 2—3 — перемещение сжатого воздуха в горячую камеру — рабочий ход; 3—4 — расширение-охлаждение газа при поступлении в холодную камеру — рабочий ход; 4—1 — перемещение газа в холодную камеру.

Рис. 7. Схема работы двигателя Стерлинга с поршнем двойного действия:
А — горячая камера; Б — подогреватель; В — регенератор; Г — радиатор; Д — холодная камера.

В рядном двигателе соединительный канал между четвертым и первым цилиндрами имеет большую длину и объем, поэтому используются двигатели с V-образным или звездообразным расположением цилиндров. В обоих случаях все четыре цилиндра расположены близко друг от друга, а их верхние части (головки) образуют группы, обогреваемые общим котлом. Теплоизоляция такой конструкции также отличается простотой.

Фирма «Филипс» внесла в двигатель Стерлинга много интересных изменений. Для первых регенераторов использовались мелкие сита из тонкой медной проволоки, в дальнейшем они были заменены блоком из пористой керамики. Материал регенератора должен иметь большую удельную теплоемкость и выдерживать резкие изменения температуры. Поэтому регенератор должен быть разделен на несколько меньших элементов. Пористый материал легко аккумулирует и отдает теплоту и позволяет благодаря этому обеспечить работу двигателя с частотой вращения до 4000 мин-1.

Рис. 8. Изменение крутящего момента по углу поворота коленчатого вала в четырехцилиндровом бензиновом двигателе (А) и двигателе Стирлнига с поршнем двойного действия (Б) [3]

Мощность двигателя зависит от среднего рабочего давления. У двигателя «Филипс» это давление составляло около 20 МПа. Чтобы избежать прижатия поршня к стенке цилиндра, был применен уже упомянутый ромбический механизм и, кроме того, под рабочим поршнем была образована камера, в которой поддерживалось среднее рабочее давление газа. В этих условиях кривошипно-шатунный механизм испытывает нагрузки вследствие небольших отклонений от этого давления, а также действие инерционных сил, поскольку давление газов в цилиндре меняется незначительно. На рис. 8 приведены мгновенные значения относительного крутящего момента Mτ/Mср двигателя Стирлинга и дизельного двигателя за один оборот коленчатого вала [3].

Значительные трудности возникают при регулировании мощности двигателя Стирлинга. Изменение мощности, происходящее в результате изменения количества подаваемого в подогреватель топлива, незначительно. Более заметного результата можно добиться при изменении давления или количества рабочего тела. Этот способ регулирования мощности используется в автомобильном двигателе Стирлинга. Для уменьшения мощности часть газа из цилиндров перепускается в резервуар низкого давления; для увеличения мощности газ подается в цилиндры из резервуара высокого давления, куда он предварительно перекачивается специальным компрессором из резервуара низкого давления. У двигателей с поршнем двойного действия для снижения мощности газ перепускается из верхней части поршня в нижнюю через специальный канал. Переход от полной мощности к холостому ходу длится 0,2 с; обратный процесс занимает около 0,6 с.

Чтобы потери на трение газа при прохождении его через узкие каналы регенератора и радиатора были небольшими, применяют гелий, а также пытаются использовать водород. Для уменьшения размеров и массы четыре цилиндра с поршнями двойного действия в двигателе второго поколения размещаются как показано на рис. 9. Вместо коленчатого вала применен привод с помощью наклонных шайб. Наличие высокого давления газов по обе стороны поршня обеспечивает передачу на приводную шайбу только небольшой разницы давлений. Поскольку в двигателе Стирлинга вся отводимая теплота передается в охлаждающую жидкость, то радиатор этого двигателя должен быть в 2 раза больше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания.

Рис. 9. Четырехцилиндровый бесшатунный двигатель Стирлинга с поршнем двойного действия и вращающейся наклонной шайбой
Рис. 10. Четырехцилиндровый рядный двигатель Стирлинга с ромбическим кривошипно-шатунным механизмом

В качестве примера рассмотрим два автомобильных двигателя Стирлинга. Четырехцилиндровый двигатель первого поколения с ромбическим механизмом, изображенный на рис. 10, имеет диаметр цилиндра 77,5 мм, ход поршня 49,8 мм (рабочий объем 940 см3), развивает мощность 147 кВт при 3000 мин-1 и среднем давлении в цилиндре порядка 22 МПа. Температура головки цилиндра поддерживается около 700 °C, а охлаждающей жидкости — на уровне 60 °C. Масса сухого двигателя составляет 760 кг. Холодный пуск и прогрев двигателя до достижения температуры головки цилиндра 700 °C длятся около 20 с. При температуре воды 55 °C индикаторный КПД двигателя на испытательном стенде достиг 35 %. Удельная мощность 156 кВт/дм3, а удельная масса на единицу мощности 5,2 кг/кВт.

Схематический разрез двигателя Стирлинга второго поколения модели «Филипс 4-215 DA», предназначенного для легкового автомобиля, изображен на рис. 9. Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель, и его мощность равна 127 кВт. Четыре цилиндра с поршнями двойного действия расположены вокруг оси приводного вала с наклонной шайбой. Котел подогревателя, общий для всех четырех цилиндров, имеет одну форсунку. На автомобиле «Форд Торино» (США) расход топлива с этим двигателем был на 25 % ниже, чем с бензиновым V-образным 8-цилиндровым двигателем. Содержание NOx в отработавших газах системы подогрева благодаря применению их рециркуляции было намного меньше установленной нормы.

Диаметр цилиндра двигателя «Филипс 4-215 DA» — 73 мм, ход поршня 52 мм. Мощность двигателя 127 кВт при частоте вращения 4000 мин-1. Температура в подогревателе (температура головок цилиндров) равна 700 °C, а охлаждающей жидкости — 64 °C.

Рис. 11. Четырехцилиндровый V-образный двигатель Стирлинга фирмы «Юнайтед Стирлинг»:
1 — подогреватель; 2 — трубки подогревателя; 3 — теплообменник; 4 — генератор; 5 — радиатор.

Шведская фирма «Юнайтед Стерлинг» создала свой двигатель Стирлинга таким образом, чтобы можно было в наибольшей степени использовать детали, серийно выпускаемые автомобильной промышленностью. Используются обычный коленчатый вал и шатун, который совместно с крейцкопфом преобразует во вращательное движение вала поступательное движение поршня двойного действия. Разрез этого четырехцилиндрового V-образного двигателя изображен на рис. 11. Ряды цилиндров расположены под небольшим углом, головки цилиндров образуют общую группу, подогреваемую одной горелкой.

Предполагаемая удельная масса этого двигателя равна 2,4 кг/кВт, что можно сравнить с показателями очень хорошего малоразмерного высокооборотного дизеля. Удельная масса двигателей Стирлинга уменьшилась с 6,1–7,3 кг/кВт до 4,3 кг/кВт и постоянно снижается.

Производство двигателя Стирлинга требует технологии, совершенно отличной от технологии производства двигателей внутреннего сгорания, что будет тормозить его внедрение в производство. Однако разработки таких двигателей продолжаются, поскольку традиционные бензиновый и дизельный двигатели не будут отвечать перспективным требованиям необходимой чистоты отработавших газов, а созданные двигатели Стирлинга дают основание надеяться, что эту проблему удастся решить. Так как изменение давления газов в цилиндре двигателя Стирлинга носит плавный характер, то он работает стабильно и тихо, напоминая паровую машину. Однако большое количество отводимой теплоты требует новых решений в области систем охлаждения.

Большой прогресс в двигателях Стирлинга достигнут при создании двигателя «Филипс 4-215 DA». Двигатель предназначен для применения в легковых автомобилях и занимает в них столько же места, сколько и обычный бензиновый V-образный двигатель равной мощности. Масса двигателя «Филипс 4-215 DA» равна 448 кг и при максимальной мощности 127 кВт его удельная масса составляет 3,5 кг/кВт. Индикаторный КПД этого двигав теля при использовании е качестве рабочего тела водорода под давлением 20 МПа равен 35 %.

Холодный пуск двигателя длится 15 с, расход топлива автомобилем в условиях городского движения на 25 % меньше, чем в случае обычного бензинового двигателя. Регулирование мощности двигателя производится изменением количества и давления рабочего тела.

Плотность водорода в 14 раз ниже плотности воздуха, а его теплоемкость также в 14 раз выше теплоемкости воздуха. Это положительно сказывается на гидравлических потерях, особенно в регенераторе, и в целом ведет к росту КПД двигателя (см. рис. 4).

Опубликовано 24.03.2014

Читайте также

  • Малая масса автомобиля

    Снижение массы у небольших автомобилей благоприятно сказывается на уменьшении сопротивления качению, а также сопротивлений при движении на подъеме и при ускорении.

  • Биодизель

    Биодизель является возобновляемым топливом, и чтобы сделать еще, можно просто вырастить больше урожая.

Сноски

  1. ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.: ил.//Стр. 22 — 23 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru
  2. ↺ В настоящий момент двигатели Стирлинга используются на солнечных электростанциях. – Прим. icarbio.ru
  3. ↺ В книге – опечатка либо дизельный, либо бензиновый двигатель. – Прим. icarbio.ru

Комментарии

Так в чем же проблемы изготовления двигателя Стирлинга с высоким КПД? Двигатель Стирлинга (1 гиф).

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, 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 КПД на 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.

Видео материал: YouTube.com/watch?v=fRY6rkuw3LA

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.

Современное автомобилестроение вышло на такой уровень развития, при котором без фундаментальных научных исследований практически невозможно достигнуть кардинальных улучшений в конструкции традиционных моторов внутреннего сгорания. Такая ситуация вынуждает конструкторов обратить внимание на альтернативные проекты силовых установок . Одни инженерные центры сосредоточили свои силы на создании и адаптации к серийному выпуску гибридных и электрических моделей, другие автоконцерны вкладывают средства в разработку двигателей на топливе из возобновляемых источников (например, биодизель на рапсовом масле). Существуют и другие проекты силовых агрегатов, которые в перспективе могут стать новым стандартным движителем для транспортных средств.

Среди возможных источников механической энергии для автомобилей будущего следует назвать двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине XIX века шотландцем Робертом Стирлингом в качестве тепловой расширительной машины.

Схема работы

Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу за счет изменения температуры рабочего тела (газа или жидкости), циркулирующего в замкнутом объеме.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга.

Стирлинг модификации «Альфа»

Двигатель состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Стирлинг модификации «Бета»

Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположного конца. В цилиндре двигается силовой поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема рабочего газа. Обратное перемещение остывшего рабочего вещества в горячую полость двигателя выполняет регенератор.

Стирлинг модификации «Гамма»

Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый — полностью холодный, в котором движется силовой поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, служит для перемещения вытеснителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или входить в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность : двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.

Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло — силовой агрегат продолжал устойчиво работать.

Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга бесшумен , так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.

В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.

Недостатки конструкции Стирлинга

При всем наборе положительных свойств немедленное массовое применение двигателей Стирлинга невозможно по следующим причинам:

Основная проблема заключается в материалоемкости конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки.

Нынешний технологический уровень позволит двигателю Стирлинга сравниться по характеристикам с современными бензиновыми моторами только за счет применения сложных видов рабочего тела (гелий или водород), находящихся под давлением более ста атмосфер. Этот факт вызывает серьезные вопросы как в области материаловедения, так и обеспечения безопасности пользователей.

Немаловажная эксплуатационная проблема связана с вопросами теплопроводности и температурной стойкости металлов. Тепло подводится к рабочему объему через теплообменники, что приводит к неизбежным потерям. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из термостойких металлов, устойчивых к высокому давлению. Подходящие материалы очень дороги и сложны в обработке.

Принципы изменения режимов двигателя Стирлинга также кардинально отличаются от традиционных, что требует разработки специальных управляющих устройств. Так, для изменения мощности необходимо изменить давление в цилиндрах, угол фаз между вытеснителем и силовым поршнем или повлиять на емкость полости с рабочим телом.

Один из способов управления скоростью вращения вала на модели двигателя Стирлинга можно увидеть на следующем видео:

Коэффициент полезного действия

В теоретических расчетах эффективность двигателя Стирлинга зависит от разницы температур рабочего тела и может достигать 70% и более в соответствии с циклом Карно.

Однако первые реализованные в металле образцы обладали крайне невысоким КПД по следующим причинам:

  • неэффективные варианты теплоносителя (рабочего тела), ограничивающие максимальную температуру нагрева;
  • потери энергии на трение деталей и теплопроводность корпуса двигателя;
  • отсутствие конструкционных материалов, устойчивых к высокому давлению.

Инженерные решения постоянно совершенствовали устройство силового агрегата. Так, во второй половине XX века четырехцилиндровый автомобильный двигатель Стирлинга с ромбическим приводом показал на испытаниях КПД равный 35% на водном теплоносителе с температурой 55 °C.Тщательная проработка конструкции, применение новых материалов и доводка рабочих узлов обеспечили КПД экспериментальных образцов в 39%.

Примечание! Современные бензиновые двигатели аналогичной мощности обладают коэффициентом полезного действия на уровне 28-30%, а турбированные дизели в пределах 32-35%.

Современные образцы двигателя Стирлинга, такие как созданный американской компанией Mechanical Technology Inc, демонстрируют эффективность до 43,5%. А с освоением выпуска жаропрочной керамики и аналогичных инновационных материалов появится возможность значительного повышения температуры рабочей среды и достижения КПД в 60%.

Примеры успешной реализации автомобильных Стирлингов

Несмотря на все сложности, известно немало работоспособных моделей двигателя Стирлинга, применимых для автомобилестроения.

Заинтересованность в Стирлинге, подходящем для установки в автомобиль, появилась в 50-е годы XX века. Работу в данном направлении вели такие концерны, как Ford Motor Company, Volkswagen Group и другие.

Компания UNITED STIRLING (Швеция) разработала Стирлинг, в котором максимально использовались серийные узлы и агрегаты, выпускаемые автопроизводителями (коленчатый вал, шатуны). Получившийся в результате четырехцилиндровый V-образный мотор обладал удельной массой 2,4 кг/кВт, что сравнимо с характеристиками компактного дизеля. Данный агрегат был успешно опробован в качестве силовой установки семитонного грузового фургона.

Одним из успешных образцов является четырехцилиндровый двигатель Стирлинга нидерландского производства модели «Philips 4-125DA», предназначавшийся для установки на легковой автомобиль. Мотор имел рабочую мощность 173 л. с. в размерах, аналогичных классическому бензиновому агрегату.

Значительных результатов добились инженеры компании General Motors, построив в 70-х годах восьмицилиндровый (4 рабочих и 4 компрессионных цилиндра) V-образный двигатель Стирлинга со стандартным кривошипно-шатунным механизмом.

Аналогичной силовой установкой в1972 году оснащалась ограниченная серия автомобилей Ford Torino , расход топлива у которой снизился на 25% по сравнению с классической бензиновой V-образной восьмеркой.

В настоящее время более полусотни зарубежных компаний ведут работы по совершенствованию конструкции двигателя Стирлинга в целях его адаптации к массовому выпуску для нужд автомобилестроения. И если удастся устранить недостатки данного типа двигателей, в то же время сохранив его преимущества, то именно Стирлинг, а не турбины и электромоторы, придет на смену бензиновым ДВС.

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.
В цикле Стирлинга при нагреве или охлаждении рабочего тела по изохоре происходят потери тепла, связанные с изотермическими процессами в нагревателе и охладителе.

Конфигурация

Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:

  • 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:

  • 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, т.к. двигатель роторный) .

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 теплобменник 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 воды 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.

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.

С ЧЕГО ЭТО НАЧИНАЛОСЬ
Термоакустика имеет длинную историю, которая берёт своё начало более двух веков назад.

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

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

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.

Похожий эксперимент позже осуществил Таконис. В отличие от Сондхаусса он не подогревал конец трубки, а охлаждал его криогенной жидкостью. Это доказывало, что для генерации звука важен не подогрев, а перепад температур.
Первый качественный анализ колебаний, вызванных теплом, был дан в 1887 г. Лордом Рэлеем. Сформулированное Рэлеем объяснение перечисленных выше явлений сегодня известно термоакустикам как принцип Рэлея. Он звучит примерно так: «Если газу передать тепло в момент наибольшего сжатия или отобрать тепло в момент наибольшего разряжения, то это стимулирует колебания. » Несмотря на свою простоту, эта формулировка полностью описывает прямой термоакустический эффект, то есть преобразование тепловой энергии в энергию звука.

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 и микрокондиционеры.

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».
Вообще говоря отличительная черта всех подобных вещей — абсолютная простота. Не упрощённость, а именно простота. То есть как в творениях Микеланджело — отсутствует всё лишнее, какие-то технические или смысловые «подпорки», чистое сознание, воплощённое «в железе» или выплеснутое на холст. И при всём при этом абсолютная нетиражность. Чёрный Квадрат — это своего рода «орт» искусства. Второго такого написанного другим художником быть не может.

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.
Турбина Тесла, как и турбина Лаваля преобразует кинетическую энергию рабочего тела. То есть превращение потенциальной энергии (например сжатого воздуха или перегретого пара) в кинетическую необходимо произвести до подачи на ротор турбины с помощью сопла. Однако турбина Лаваля, имея в целом достаточно высокий КПД, оказывалась крайне неэффективной на низких оборотах, что заставляло конструировать редукторы, размеры и масса которых многократно превышали размеры и массы самой турбины. Фундаментальным отличием турбины Тесла является тот факт, что она вполне эффективно работает в широком диапазоне частот вращения, что позволяет соединять её вал с генератором непосредственно. Кроме того, турбина Тесла легко поддаётся реверсированию.

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».

Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.

Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно . Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники . К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).


Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа

Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.

Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.

Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.

Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.

В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).


Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга

На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.

Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.

Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.

В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).


Рисунок 3 — График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.

Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.

Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).


Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной

Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?

Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.

Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.


Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.

Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.

Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.

В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору .


Рисунок 6 – Схема импульсной турбины

Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.
А так турбина выглядит у них в реальности:


Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины

Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.

Что ж, будем продолжать пристально следить за развитием термоакустических двигателей.

Список использованных источников

М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

— 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.

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.

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.

Абсолютный рекорд в солнечной энергетике поставил двигатель Стирлинга

В ходе экспериментов, проведенных на испытательном полигоне солнечных энергоустановок Национальных лабораторий Sandia в штате Нью-Мексико (США) с участием компании Stirling Energy Systems (SES), был поставлен новый рекорд коэффициента преобразования солнечной лучистой энергии в промышленную электрическую — 31,25%. Предыдущий рекорд, зафиксированный в 1984 году, составлял 29,4%.

Рекордное значение было достигнуто на установке Serial #3, представляющей собой прототип одного из шести модулей солнечной электростанции на основе двигателей Стирлинга мощностью до 150 кВт.

Установка представляет собой поворотное вогнутое зеркало из 82 элементов, которое концентрирует солнечные лучи в фокальной плоскости, где располагается нагреватель механического двигателя «внешнего сгорания» системы Стирлинга.

В двигателе Стирлинга в качестве рабочего тела используется водород; сам двигатель опломбирован и не требует непрерывного технического обслуживания. Периодически нагреваясь и охлаждаясь, рабочее тело приводит в движение через кривошипно-шатунный механизм вал двигателя, который, в свою очередь, механически соединен с валом электрогенератора. Коэффициент полезного действия такой системы оказался рекордно высоким.

Новое поколение солнечных энергоустановок на базе двигателя Стирлинга отличается рядом усовершенствований. В первую очередь, они касаются системы зеркал. Новые зеркала выполнены на базе стекла с малым содержанием железа и с новым посеребрением, что позволило повысить коэффициент фокусировки солнечных лучей с ранее достигнутых 91% до 94%.

Зеркала имеют особую форму, защищенную патентом Sandia. Ее использование позволило уменьшить размеры пятна рассеяния в фокальной области до семи дюймов (менее 20 см) в диаметре.

Поставить рекорд помогла также безоблачная зимняя погода, установившаяся в день испытаний над штатом Нью-Мексико. Благодаря ей температура холодильника тепловой машины составила 23 градуса Цельсия. В ходе испытаний, продолжавшихся 2 с половиной часа, полезная электрическая мощность машины составила 26,75 кВт.

В настоящее время компания SES готовится коммерциализировать свои разработки. Предполагается, что в Южной Калифорнии будут построены солнечные электростанции на базе двигателей Стирлинга из 70 тыс. модулей рекордной для данного вида электростанций совокупной электрической мощностью 1750 МВт.

Источник: CNews.ru

Двигатели стирлинга

Краткая история этого устройства.  

Сам двигатель был изобретен пастором Стирлингом в 1816 году, а в 1817 году им был получен патент на изобретение. Это была тяжелая машина весом больше тонны имеющей мощность чуть более одной лошадиной силы (менее одного Квт), а её механический КПД (коэффициент полезного действия)  был по разным оценкам не выше 3%. Она была открытого типа (т.е. не герметичная) и не имела регенератора. Основным достоинством было то, что её можно было изготовить в любой сельской кузнице, а так же то, что давление в ней было атмосферное.

Примечателен ещё один факт – цикл Карно, описывающий тепловые процессы газов, был открыт в 1825 году, т.е. спустя 9 лет после изобретения Стирлинга.

Это говорит об гениальности изобретателя, который на своих наблюдениях над процессами расширения и сжимания газов (воздуха) чисто интуитивно сконструировал свою машину. Впоследствии Стирлинг ввел в машину закрытый цикл (машина стала герметичной), а так же регенератор – устройство, которое накапливало и отдавало тепловую энергию в разных циклах работы машины. До конца 20-го века были изготовлены порядка 1 тысячи машин, которые были поставлены в основном в колонии (США) и некоторые из которых работают и по сей день. Их вес стал меньше, а КПД поднялось до 10%. Но машина Стирлинга была вытеснена с рынка вначале паровой машиной, затем паровой турбиной, и двигателями внутреннего сгорания, двигателем Дизеля. Новые машины за счет повышенного давления в рабочей полости (в цилиндрах и камерах) имели лучше показатель «вес/габарит/мощность».

Как работает классическая машина Стирлинга?

 В ИНТЕРНЕТе есть много информации по типам и принципу действия машины Стирлинга. Если коротко описать принцип действия, то можно сказать, что в течении 4-х циклов происходит расширение и сжатие газа в цилиндрах (их количество варьирует от одного до десятка), с нагреванием одних из них и отводом тепла от другогих. Регенератор при этом служит для аккумулирования тепловой энергии газообразного тела, вытекающего из горячей полости, и возвращения аккумулированной энергии газообразному телу при обратном движении – от холодной полости. От того, насколько хорошо работает регенератор, зависит общий КПД машины.

Преимущества машины Стирлинга:

— этот двигатель называют «двигатель внешнего сгорания» так как для его запуска необходима внешняя тепловая энергия, т.е. двигатель «всеяден»,

— в двигателе нет ни одного клапана,

— все процессы, протекающие в двигатели происходят без взрывов и резких изменениях давления, т.е. двигатель малошумящий,

— количество механических деталей, как правило, меньше в 1,5-2 раза по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и двигателями Дизеля,

— КПД сложных машин Стирлинга выше двигателя внутреннего сгорания (макс. 25%) и двигателя Дизеля (до 32%) и составляет у самых лучших образцов (32-34)%.

 

Недостатки машины Стирлинга: 

— для получения приемлимых массогабаритных параметров необходимы давления до 200атм. и применение высоко текучего гелия или взрывоопасного водорода,

— использования уплотнений, работающих без смазки,

— сложная конструкция теплообменников в горячей и холодной полости,

— сложная конструкция регенератора,

— высокоэффективная система охлаждения,

— отсутствие чёткой математической модели, описывающей все процессы,  протекающие в той или иной части машины.

 

Какие существуют типы машин? 

Классификация машин Стирлинга по типу, применяемому рабочему телу, конструкции и прочее очень сложная. Подробная информация содержится в ИНТРНЕТе. Исходя из сложности, значения КПД, применяемого рабочего тела и стоимости, мы для себя классифицировали машины на три основных типа:

ПЕРВЫЙ – сложный, с применением в качестве рабочего тела гелия или водорода, с рабочим давлением больше 200 атм., имеющие в составе регенератор. Их механический КПД выше 30%, зато стоимость и сложность изготовления высокая.

ВТОРОЙ – средний. В качестве рабочего тела используется воздух и/или азот, рабочее давление до 10атм., имеющие в своем составе регенератор. Их КПД редко достигает 20%, зато стоимость и сложность средняя,

ТРЕТИЙ – простой. В их конструкции отсутствует регенератор, давление 1 атм., и соответственно КПД — менее 4%. Большой габарит при малой мощности, зато цена низкая. Используется как модели, но применения в промышленности не нашли.

 

Ход работ

Для изучения вопроса вначале нами были изготовлены 2 машина Стирлинга ПЕРВОГО типа, т.е. без регенератора, с рабочим давлением 1 атм. и воздухом в качестве рабочего тела. Были изготовлены 2 макета машин конструкции «ГАММА» и «БЕТА». На них отработаны методы замера механической мощности и КПД.

На сегодня проводится отработка узлов «регенератор», «теплообменник», «уплотнения». Эти работы проводятся над отдельными узлами. Целью этих исследовательских работ является получения рабочих узлов с их последующим применением в машинах ВТОРОГО типа. 

 

Наш выбор.

Исходя из наших возможностей, возможностей технологического парка станков, квалификации и опыта специалистов в Республике Молдова, нами был выбран ВТОРОЙ тип машины, т.е.  работающие при рабочем давлении не больше 10-ти атм., с регенератором и воздухом или азотом в качестве рабочего тела. В основном выбор основывается на создании безопасной и простой машины, с высоким ресурсом работы и малой стоимостью. Пользователь не должен обладать квалификацией или специальными знаниями при её эксплуатации, а неполадки не должны приводить к взрывам или иным опасным ситуациям.

 

ПОЧЕМУ МАШИНЫ ВТОРОГО ТИПА? 

Простой расчёт показывает, что для использования машины Стирлинга в сельской местности высокий КПД не нужен. И вот почему… Допустим, КПД машины равен 15%. О чём это говорит? Это означает, что 15% будут преобразованы в механическую (т.е. электрическую) энергию, а остальные 85% будут выведены их машины Стирлинга в качестве тепла, ведь для охлаждения машины нужен эффективный охладитель. Допустим, что машина вырабатывает 1.5 кВт* механической / электрической энергии, тогда система охлаждения машины выведет во внешний контур 8.5 кВт тепловой энергии с температурой (70-90)°С. Это соотношение так же хорошо при КПД машины 10% — на 1кВт*  электричества будет вырабатываться 9кВт тепла.

 

Примеры применения машины Стирлинга

В Республике Молдова выращиваются от 0.5 до 1.0 млн. тонн пшеницы. Примерно столько же остаётся соломы.

Энергетическая ценность соломы составляет примерно (0,6-0,7) от угля среднего качества (не путать вес и объем), что по энергетической ценности эквивалентно как минимум 300 тысяч тонн угля в самый плохой год. Для отопления среднее хозяйство в сельской местности потребляет порядка (1,0-1,2) тонн угла среднего качества, а количество хозяйств в сельской местности примерно равно 300 тысяч, т.е. для их полного обеспечения необходимо от 300 до 360 тысяч тонн угля среднего качества.

Вывод

Если всю солому,которая остается на полях, использовать для отопления и выработки электроэнергии,  то даже её практически хватит для этих целей. Так же можно применять отходы кукурузы, подсолнечника, а так же энергию Солнца. А для этого нужен «двигатель внешнего сгорания», коим и является машина Стирлинга.

* без учёта КПД преобразования механическая энергия / электрическая энергия.

Тепловая машина Двигатель Стирлинга | Синтезгаз

Тепловая машина двигатель Стирлинга

Двигатель 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.

Данный тип двигателей изобретен в девятнадцатом веке. Они прошли стадию подъема, затем были забыты, однако пережили паровые двигатели, двигатели внутреннего сгорания и снова возродились в двадцатом веке. Сегодня над их созданием трудятся многие инженеры и любители.

Стоит отметить, что универсальной методики расчета Стирлинг-машин не существует до сих пор. Львиная доля технических решений и методик расчета при создании опытных образцов двигателей Стирлинга автоматически становится «ноу-хау» компаний-разработчиков и тщательно скрывается. Двигатели Стирлинга не встретишь в свободной продаже, как газонокосилки или автономные генераторы. При этом «Стирлинги» используются в качестве энергоустановок на космических спутниках, применяются как маршевые двигатели на современных подводных лодках.

Мембранный Двигатель Стирлинга для солнечных установок

Стирлинг-машины с одинаковым успехом можно «вмонтировать» и в триммер для стрижки газонов, и в марсоход. В конструкции двигателя нет клапанов, распределительных валов, отсутствует система зажигания в ее привычной форме, нет стартера! Некоторые конструкции обладают эффектом самозапуска. Для работы годится любой источник тепла: энергия солнца, навоз, сено, дрова, уголь, нефть, газ, ядерный реактор — подойдет все! И при данной «всеядности» коэффициент полезного действия «Стирлингов» не уступает показателям двигателей внутреннего сгорания. Но и это не все. Стирлинг-машины обратимы. Т.е. подводя тепловую энергию, получаем механическую, раскручивая маховик двигателя вырабатываем холод.

Двигатель Стирлинга зависит только от внешнего поступления тепла. Что это тепло поставляет принципиального значения не имеет. Поэтому двигатель Стирлинга являеться идеальным кандидатом для перевода солнечного излучения в механическую энергию:

1. В двигателе Стирлинга постоянное количество рабочего газа (гелий или водород) постоянно нагреваеться и охлаждаеться.

2. Через расширение при нагревании и сжатии при охлаждении, рабочий газ приводит в движение два поршня, каждый из которых прикреплен к валу — таким образом передаеться энергия.

3. Эфективность двигателя Стирлинга растет при росте температуры, поэтому он являеться идеальной комбинацией для производства энергии через солнечный коллектор.

4. Здесь нет внутреннего сгорания, поэтому установка Стирлинга работает почти бесшумно.

5. Потенциальный жизненный цикл двигателя Стирлинга являеться очень длительным, так как здесь нет внутренного износа из-за горения топлива.

Можно запасать с его помощью энергию, используя в качестве источника тепла теплоаккумуляторы на расплавах солей. Такие аккумуляторы превосходят по запасу энергии химические аккумуляторы и дешевле их. Используя для регулировки мощности изменение фазного угла между поршнями, можно аккумулировать механическую энергию, тормозя двигателем. В этом случае двигатель превращается в тепловой насос.

Плюсы стирлингов

— КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. Кроме того крутящий момент двигателя почти не зависит от скорости вращения коленвала. В двигателях внутреннего сгорания напротив максимальный крутящий момент достигается в узком диапазоне частот вращения.

— В конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.

— В ДВС сгорание томливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги лишены этого недостатка.

— Двигатель не будет «капризничать» из-за потери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие «двигатель заглох» не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным проворотом маховика коленчатого вала.

-Простота конструкции позволяет длительно эксплуатировать Стирлинг в автономном режиме.

— Двигатель Стирлинга может использовать любой источник тепловой энергии, начиная с дров и заканчивая ядерным топливом.

— Сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя (в отличии от ДВС), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).

Минусы стирлингов

— Поскольку сгорание топлива происходит вне двигателя, а отвод тепла осуществляется через стенки радиатора (Стирлинги имеют замкнутый объем) габариты двигателя увеличиваются.

— Еще один минус — материалоемкость. Для производства компактных и мощных Стирлинг-машин требуются жаропрочные стали, выдерживающие высокое рабочее давление и в то же время, обладающие низкой теплопроводностью. Обычная смазка для Стирлингов не годится — коксуется при высокой температуре, по этому необходимы материалы с низким коэффициентом трения.

— Для получения высокой удельной мощности в качестве рабочего тела в Стирлингах используют водород или гелий . Водород взрывоопасен, при высоких температурах растворяется в металлах, образуя металлогидриды — т.е. разрушает цилиндры двигателя. К тому же водород, как и гелий обладает высокой проникающей способностью и просачивается через уплотнения подвижных частей двигателя, снижая рабочее давление.

Комментарии:

Холодный термоядерный синтез в обыкновенной кружкеПечка голландка

Двигатели Стирлинга

— обзор

8.5 Типы двигателей Стирлинга

Все двигатели Стирлинга относятся к одной из следующих двух основных категорий:

Кинематические двигатели Стирлинга имеют кривошипное устройство для преобразования возвратно-поступательного движения поршня. к вращающемуся выходу, скажем, для привода генератора. Вытеснитель приводится в действие посредством механической связи.

Свободнопоршневые двигатели Стирлинга (FPSE) не имеют вращающихся частей.В большинстве случаев выходная мощность берется от линейного (обычно с постоянным магнитом) генератора переменного тока, прикрепленного к поршню, в то время как вытеснитель приводится в действие изменением давления в пространстве под поршнем.

Теоретически LFPSE (линейный двигатель Стирлинга со свободным поршнем) намного проще, поскольку он содержит меньше движущихся частей. На практике проблемы дифференциального расширения и конструкции линейных генераторов до сих пор оказывались серьезным препятствием для коммерциализации.

Двигатели Стирлинга можно охарактеризовать также тремя типичными конфигурациями буйка и рабочих поршней, известными как альфа, бета и гамма.В альфа-типе рабочий газ перемещается между двумя поршнями. Один поршень осуществляет сжатие в холодном пространстве, а другой — расширение в горячем. Подразделение альфа-типа — это тип двойного действия, в котором полезная работа выполняется симметричными поршнями. В бета-версии и сжатие, и расширение осуществляются рабочим поршнем, при этом рабочий газ перемещается между горячими и холодными пространствами в одном цилиндре с помощью (неработающего) вытеснителя. Третий вариант — гамма-тип, в котором рабочий поршень размещен в отдельном цилиндре.

Было показано, что бета-тип по своей природе более эффективен, чем другие, 3 , но, как будет объяснено позже, одна только высокая эффективность не обязательно является желательной целью. Действительно, меры, повышающие эффективность, могут иметь нежелательные последствия как с технической, так и с экономической точки зрения. Ясно, что нет смысла в достижении высокой эффективности, если производственные затраты настолько высоки, что их невозможно окупить за счет экономии энергии. Например, можно улучшить КПД Карно двигателя Стирлинга, используя прерывистое движение поршня.Практическая реализация этой функции возможна с использованием электромагнитного срабатывания вытеснителя и в некоторой степени моделируется в традиционной схеме кривошипа некоторых двигателей. Однако колебания вращения рабочего поршня приводят к другим осложнениям, в частности к колебаниям в электрической мощности и высоким электрическим потерям, а также к очевидному увеличению шума, вибрации и механических нагрузок.

Таким образом, стремление к высокой эффективности имеет экономические и производственные последствия, которые могут быть нежелательными.Действительно, появление двигателя WhisperTech с изначально низким электрическим КПД, но с параметрами надежности и стоимости производства, соответствующими требованиям рынка, можно рассматривать как важную веху в коммерциализации микро-ТЭЦ.

Двигатель Стирлинга — обзор

2 ВВЕДЕНИЕ

Компоненты двигателя Стирлинга включают процессы теплопередачи, которые происходят в условиях колеблющегося потока. Одномерные коды производительности используются для моделирования этого нестационарного колеблющегося потока при разработке двигателей Стирлинга со свободным поршнем.В этих эксплуатационных кодах используются корреляции между постоянным потоком, коэффициентом трения и теплопередачей. Достоверность использования стационарных корреляций для условий колеблющегося потока сомнительна (Тью, 1987; Ибрагим и др., 1990). Соответственно, нет уверенности в предсказательных возможностях этих одномерных кодов.

В настоящее время проводятся многоступенчатые исследования с целью компьютерного исследования сложных условий колеблющегося потока в двигателе Стирлинга. Частью этих усилий является исследование двумерного, несжимаемого / термически расширяемого, ламинарного, пульсирующего потока между двумя параллельными пластинами.В литературе выделяют два типа нестационарного течения: (1) колеблющийся — нестационарный поток с нулевой средней скоростью и (2) пульсирующий — нестационарный поток с ненулевой средней скоростью. В этой статье основное внимание будет уделено пульсирующим потокам.

Несколько исследователей исследовали ламинарный пульсирующий поток, как внешний (Riley, 1975; Ishida and Yamada, 1980), так и внутренний (Uchida, 1956; Siegel and Perlmutter, 1962; Siegel, 1987; Creff et.al., 1983; Creff et.al., 1985), используя аналитические или численные методы.Uchida (1956) получил решения в замкнутой форме при исследовании пульсирующего и колеблющегося ламинарного, полностью развитого кругового потока в трубе. Кроме того, Зигель и Перлмуттер (1962) и Сигель (1987) исследовали процесс теплопередачи при пульсирующем ламинарном потоке. Они получили решения в замкнутой форме для термически развивающегося течения в канале с использованием приближения снарядного течения.

Недавно Creff ‘et.al. (1983, 1985) проанализировали одновременно развивающийся пульсирующий ламинарный поток несжимаемой трубы.Их численные расчеты основывались на разложении импульсного потока на нестационарный периодический поток, наложенный на установившийся ламинарный поток. Пульсация характеризовалась либо синусоидальной модуляцией скорости потока (Creff et.al., 1983), либо синусоидальным осевым градиентом давления (Creff et.al., 1985). Creff ‘et.al. численные прогнозы хорошо сравнивались с имеющимися данными для условий установившегося потока (Langhaar, 1942), а также с данными о нестационарном полностью разработанном потоке, полученными Uchida (1956).

Эта статья посвящена численному исследованию пульсирующего, ламинарного, несжимаемого / термически расширяемого, одновременно развивающегося потока между двумя параллельными пластинами.Компьютерный код, используемый в текущем исследовании, развился из предыдущих попыток решения частично параболизированных уравнений Навье – Стокса Чиу (1984). В настоящем исследовании код Чиу был расширен для условий нестационарного и термически расширяемого потока. Здесь представлены основные уравнения, численная схема и результаты как для стационарного, так и для пульсирующего потока с теплопередачей. Будет выполнено сравнение настоящей работы с доступными аналитическими решениями в закрытой форме для полностью развитого пульсирующего потока, а также для термически развивающегося пульсирующего потока с допущениями о снарядном потоке.Наконец, будут представлены результаты для одновременного развития пульсирующего потока с допущениями как о несжимаемости, так и о тепловом расширении.

Термодинамическая теория идеального двигателя Стирлинга

Двигатели

Стирлинга — одно из тех устройств, которые очаровывали многих инженеров (включая меня) на протяжении многих лет, особенно когда мы молоды и впечатлительны, прежде чем мы стали слишком циничными по отношению к миру. Это также одна из тех технологий, которые на самом деле не получили широкого распространения, несмотря на призывы пользователей YouTube к «бесплатной энергии», поэтому очевидно, что это не идеальное решение для многих проблем, но для некоторых приложений они действительно являются отличным движком.

Команда Midé недавно потратила много времени на запуск и запуск нового проекта Стирлинга для морской пехоты США. Я выбрал для этого случая двигатель цикла Стирлинга из-за его естественного высокого КПД и из-за того, что это двигатель внешнего сгорания. Чтобы поддержать этот проект, мне нужно было провести значительный объем исследований по теории двигателей Стирлинга, чтобы мы могли лучше разработать решение для наших военных. В этом посте я поделюсь с вами некоторыми основами, которые я изучил, и предоставлю инструмент, который поможет визуализировать цикл Стирлинга.Надеюсь, этот инструмент поможет вам дважды проверить некоторые из основных вычислений, которые вы, возможно, захотите выполнить, а также предоставит удобный способ построения некоторых свойств для идеального цикла Стирлинга. Вы можете найти калькулятор на этой странице: Калькулятор идеального цикла Стирлинга

Рис. 1. Первый прототип двигателя Стирлинга, изготовленный в Миде в рамках проекта для морской пехоты.


Обзор

Двигатель Стирлинга — это особая разновидность теплового двигателя, сформулированная Робертом Стирлингом в 1816 году; это означает, что он может преобразовывать поток тепла в механическую работу (например, вращение коленчатого вала).Ключевой термин — «поток тепла»; должны быть два «резервуара», которые разделены, и эти резервуары должны иметь разную температуру, чтобы поток между ними имел место. Если вы поместите теплопроводник между двумя резервуарами со временем, они оба достигнут одинаковой температуры, что указывает на то, что энергия «течет» от горячего резервуара к холодному резервуару.

Двигатель Стирлинга использует этот поток энергии от горячей к холодной и откачивает часть ее в виде механической работы.Двигателю Стирлинга необходимы горячая и холодная секции, изолированные друг от друга, а продуманный способ направления рабочей жидкости между двумя секциями позволяет двигателю производить механическую работу. Тепло передается от горячей секции к двигателю, часть энергии покидает двигатель в виде полезной механической работы, а часть ее уходит в качестве передачи тепла в холодную секцию. Помните, что энергия никогда не может быть уничтожена, поэтому, если вы сложите всю энергию, покидающую двигатель (т. Е. Полезная работа + передача тепла в холодную часть), она должна равняться количеству энергии, поступающей в двигатель в качестве передачи тепла от горячей секции.Этот энергетический баланс является первым законом термодинамики и всегда соблюдается.

Рисунок 2: Термодинамическая диаграмма теплового двигателя

Уравнение 1: Первый закон термодинамики для двигателя Стирлинга, первый закон — это просто энергетический баланс системы


Комментарии по термической эффективности

Отношение полезной работы к теплопередаче в двигатель называется тепловым КПД. Думайте об этом как о соотношении того, что вы хотите (полезная механическая работа), деленное на затраты (передача тепла в двигатель).

Уравнение 2: Расчет теплового КПД для Stirling

КПД никогда не может быть выше 1. КПД, равный 1, будет означать, что вся передача тепла в двигатель становится полезной работой, а передача тепла в холодную часть отсутствует вообще. Коэффициент полезного действия, равный 0, указывает на то, что полезная работа не производится и вся передача тепла от горячей секции просто покидает двигатель в виде передачи тепла в холодную секцию. Если вы поместите два кирпича рядом друг с другом, один горячий и один холодный, в идеально изолированную коробку и оставите их там на некоторое время, вы вернетесь и найдете два теплых кирпича.Технически это тепловой двигатель с КПД 0; тепло передавалось от горячего кирпича к холодному в соотношении 1: 1, не производя полезной работы в процессе.

Оказывается, КПД тоже никогда не может равняться единице; извините за это, второй закон термодинамики — настоящая ползучесть. Выведение отношения, которое ограничивает физически возможные уровни эффективности, — это совершенно другая тема, но она называется эффективностью Карно в честь Николя Леонара Сади Карно. Он смог постулировать максимальную эффективность, которую можно было ожидать, не нарушая второй закон термодинамики.Можно рассчитать КПД Карно, зная только температуры горячей и холодной частей, между которыми работает данная тепловая машина. Это означает, что у вас никогда не будет теплового двигателя, который не отводит хотя бы немного тепла в холодную часть.

Уравнение 3: КПД Карно ограничивает реалистичные характеристики двигателя

Рисунок 3: Пример зависимости теплового КПД Карно или Стирлинга от температуры горячей секции

Если построить график возможного КПД Карно с учетом температуры горячей секции, можно увидеть, что чем больше разница температур между горячей и холодной сторонами, тем выше возможный КПД.Не все двигатели даже теоретически (не говоря уже о реальности) могут достичь эффективности Карно. Например, идеальный дизельный двигатель никогда, даже в идеальном мире, не может сравниться по эффективности с теоретическим тепловым двигателем Карно. Некоторые другие типы тепловых двигателей могут сравниться с двигателем Карно по теоретическим характеристикам. Двигатель Стирлинга — один из примеров этого. Следовательно, КПД Карно при заданной температуре горячего и холодного участков равен КПД Стирлинга между теми же горячими и холодными участками.

Уравнение 4: Идеальный тепловой КПД Стирлинга равен КПД Карно

Для непрерывной работы Стирлинга необходимо иметь горячую секцию, которая постоянно нагревается каким-либо источником, и холодную секцию, которая каким-либо образом охлаждается. Без постоянного нагрева горячей секции и охлаждения холодной в конечном итоге между ними будет передаваться достаточно тепла, так что в итоге вы получите две теплые секции. Как только это произойдет, у вас больше не будет этой разницы температур между секциями, эффективность упадет до 0, и тепло не будет передаваться через двигатель, поскольку разницы температур не существует.

В двигателе Midé горячая часть нагревается за счет сжигания биомассы, а холодная часть охлаждается водой, которая затем проходит через радиатор. Это позволяет поддерживать температуру горячей секции около 900 K, а холодной секции — около температуры кипящей воды (373 K). Если вы сделаете математику, чтобы вычислить эффективность Карно (и, следовательно, эффективность Стирлинга), эти температуры означают, что никогда нельзя ожидать получения эффективности, превышающей 0,58, без взрыва Вселенной. К сожалению, сразу почти половина энергии, которую вы вкладываете в наш двигатель, ГАРАНТИРУЕТСЯ для передачи тепла в холодную часть.Прямо сейчас мы говорим об абсолютно совершенных двигателях, и это все, что будет обсуждаться в этом посте, но в реальном мире существует множество других факторов, которые делают невозможным достижение уровня эффективности Карно. Вы суперзвезда, если сможете получить половину Карно.


Двигатель Стирлинга как цикл

Тепловые двигатели циклические, и это относится к двигателю Стирлинга. В случае поршневого двигателя, подобного тому, что мы создали, между секцией удержания и холодной секцией происходит процесс, который повторяется с определенной частотой.Тепло поглощается двигателем импульсами, а затем отводится в холодную часть и работает импульсами. Обычно к двигателю добавляют маховик, чтобы сглаживать эти импульсы и поддерживать вращение механизма. Тепло от горячей секции передается в холодную через какой-либо тип рабочего тела (воздух, гелий, водород, азот или любой другой тип газа, некоторые из которых лучше, чем другие). Для Стирлинга можно описать термодинамический цикл в четырех частях.

Рисунок 4: Идеальный цикл Стирлинга

Состояние с 1 по 2

В состоянии 1 рабочая жидкость находится в максимальном объеме, минимальной температуре и минимальном давлении.Из состояния 1 в состояние 2 силовой поршень сжимает рабочую жидкость, в то время как тепло передается из системы, которая поддерживает постоянную низкую температуру рабочей жидкости. Когда двигатель находится в состоянии 2, рабочая жидкость находится в сжатом состоянии (высокое давление и малый объем), но остается при той же температуре, что и состояние 1. Работа, которая требовалась для сжатия объема, обеспечивается за счет накопленной энергии в двигателе. маховик.

Состояние с 2 по 3

В состоянии 2 рабочая жидкость имеет минимальный объем, минимальную температуру и среднее давление.Между состояниями 2 и 3 объем поддерживается постоянным, в то время как горячая секция добавляет тепло для повышения температуры.

Состояние от 3 до 4

В состоянии 3 рабочая жидкость достигла максимальной температуры, максимального давления и минимального объема. В состоянии с 3 по 4 рабочему телу позволяют расширяться, выполняя при этом полезную работу. В процессе расширения добавляется больше тепла, чтобы поддерживать постоянную температуру в системе. Энергия, полученная во время этого расширения, превышает энергию, которая потребовалась для сжатия объема между состояниями 1 и 2, обеспечивая чистую положительную работу.

Состояние с 4 по 1

Для возврата двигателя в состояние 1, в котором он начал работать, тепло от рабочей жидкости отводится при постоянном объеме.

Рисунок 5: Цикл, показывающий соотношение между давлением и объемом во время цикла двигателя Стирлинга, и каждое состояние обозначено как


Сводка уравнений

Можно рассчитать свойства жидкости во всех этих различных состояниях по следующим формулам:

Кроме того, полезная произведенная работа может быть рассчитана по следующей формуле.CR означает «Степень сжатия» (максимальный объем двигателя, деленный на минимальный объем двигателя). Обратите внимание, что эта формула дает количество работы на единицу массы рабочего тела на один оборот двигателя Стирлинга. Температуры также должны быть в абсолютной шкале (например, по шкале Ренкина или Кельвина).

Уравнение 5: Работа идеального двигателя Стирлинга на единицу массы рабочего тела за оборот (цикл)

Важно помнить, что все представленные числа относятся к идеальному циклу Стирлинга, которого никогда не будет в реальной жизни. Все настоящие двигатели являются приближениями к идеальным термодинамическим циклам.Знание, как изменить эти идеальные отношения, чтобы они отражали реальный мир, — это совершенно другая тема, о которой можно будет поговорить в будущей статье!


Реальные конфигурации Стирлинга

Для того, чтобы контролировать, когда тепло передается к рабочему телу или от него, большинство двигателей Стирлинга имеют так называемый «вытеснительный» поршень, который просто предотвращает контакт между рабочим телом и горячей или холодной секцией, в зависимости от ее положения. Для изменения объема системы обычно используется какой-либо тип силового поршня, который совершает возвратно-поступательное движение в отверстии цилиндра, часто этот поршень соединен с коленчатым валом для сбора полезной работы.

Есть много способов, которыми инженер может решить механически связать силовой поршень, поршень буйка и теплообменники, чтобы произвести эффекты, необходимые во время цикла Стирлинга. Никакой механизм не имитирует необходимые движения, поэтому в реальных двигателях Стирлинга одним из источников потерь является «приближение» цикла, которое необходимо для создания реальной машины. Два наиболее распространенных типа конфигураций двигателя — это бета-тип и альфа-тип. Двигатель Midé Stirling — это бета-версия.

Рисунок 6. Настоящий двигатель Стирлинга, альфа-конфигурация (Источник анимации: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AAlpha_Stirling.gif)

Рисунок 7. Настоящий движок Стирлинга, бета-конфигурация (Источник анимации: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AStirling_Animation.gif)


Границы | Эксергетический анализ и оптимизация двигателя Стирлинга альфа-типа с использованием алгоритма неявной фильтрации

Введение

Двигатель Стирлинга был изобретен преп.Роберт Стирлинг около 200 лет назад, в то время двигатель привлек некоторое внимание и получил коммерческое использование (Stirling, 1816). Однако в то время быстрое развитие двигателя внутреннего сгорания быстро затмило двигатель Стирлинга. В последние годы интерес к двигателю Стирлинга возобновился, особенно с ростом интереса к технологиям возобновляемых источников энергии. Двигатели Стирлинга готовы сыграть ключевую роль в этой отрасли, поскольку они бесшумны, работают на разных видах топлива, производят мало загрязняющих веществ и эффективны (Thombare and Verma, 2008).Кроме того, двигатель Стирлинга классифицируется как цикл класса Рейтлингера, что означает, что он теоретически может достичь эффективности Карно (Senft, 1998). Текущая неопределенность в отношении доступности ископаемого топлива в будущем и неминуемая угроза изменения климата означает, что необходимо использовать новые источники энергии (Ellabban et al., 2014). Двигатель Стирлинга является основным кандидатом для использования с возобновляемыми источниками энергии, поскольку двигатель работает по замкнутому термодинамическому циклу, который может использовать любой источник тепла.Двигатель Стирлинга также был назван наиболее экономически жизнеспособным преобразователем солнечной энергии в диапазоне 5–100 кВтэ (Kongtragool and Wongwises, 2003).

Существует множество различных подходов к моделированию двигателя Стирлинга, и существует несколько различных порядков моделей (Dyson et al., 2004). Эти модели имеют разную сложность, и было проведено несколько исследований, в которых анализируются, сравниваются и обсуждаются различные доступные модели. Первоначально двигатели Стирлинга моделировались с изотермическими рабочими пространствами; однако в последнее время рабочие пространства моделируются как имеющие конечную скорость теплопередачи или как адиабатические.Анализ, проведенный Финкельштейном, был первым в своем роде и представлял собой крупный прогресс в анализе двигателей Стирлинга, когда он рассматривал неизотермические рабочие пространства (Финкельштейн, 1960). Впоследствии Уриэли и Берховиц разработали идеальную адиабатическую модель. Эта модель более точно предсказывает рабочие характеристики, поскольку в реальных двигателях Стирлинга цилиндры не предназначены для передачи тепла (Berchowitz and Urieli, 1984). В этих моделях различные потери оцениваются количественно и включаются в анализ для прогнозирования мощности реального двигателя, работающего в определенных условиях (Walker, 1980).В самом последнем исследовании была разработана модель с политропными рабочими пространствами (Babaelahi and Sayyaadi, 2015). Значительная часть исследований по оптимизации цикла Стирлинга переместилась в сторону численного моделирования, которое в прошлом было слишком затратным с точки зрения вычислений для использования в целях оптимизации. Однако благодаря обширной работе, выполненной Берховицем и Уриэли (1984), модели были значительно ускорены, и более чем через 30 лет скорость вычислений также резко возросла.Имитация двигателя Стирлинга, которая изначально занимала 10 минут, теперь занимает секунды. Было проведено несколько исследований, направленных на прогнозирование и оптимизацию работы двигателя с использованием численных моделей. Исследование, проведенное Timoumi et al. (2008) представили новую модель цикла Стирлинга. Представленная модель была использована для оптимизации двигателя Стирлинга GPU-3 и двигателя на солнечных батареях со средним перепадом температур (Tlili et al., 2008). Исследование, проведенное Campos et al. (2012) использовали аналогичную модель для максимизации безразмерной эффективности двигателя в заданных условиях.Также было проанализировано влияние изменения параметров на производительность, и было обнаружено, что характеристики двигателя устойчивы к изменениям некоторых параметров. Senft использовал классический анализ Шмидта и провел анализ с целью найти оптимальную геометрию двигателя Стирлинга (Senft, 2002). Другие исследования также были направлены на анализ неидеальной адиабатической модели второго порядка с использованием многоцелевого подхода оптимизации (Toghyani et al., 2014). Анализ оптимизировал двигатель с точки зрения эффективности и перепада давления, представлена ​​граница Парето оптимальных решений.

Было проведено несколько исследований, в которых методология эксергетического анализа применялась к идеальным моделям цикла Стирлинга. Исследование, проведенное Martaj et al. (2006) применили методы эксергетического, энергетического и энтропийного анализа к циклу Стирлинга для оптимизации его характеристик. Те же авторы в отдельном исследовании проанализировали и оптимизировали двигатель Стирлинга с низким перепадом температур при работе в установившемся режиме (Martaj et al., 2007). де Бур (2003) показал важность включения перепада давления в свой анализ регенератора двигателя Стирлинга, где он доказал, что максимально достижимый КПД для двигателя с циклом Стирлинга составляет половину КПД Карно.Анализ Wu et al. (1998) сформулировали критерии для оптимизации площади теплопередачи в нагревателе и охладителе. Точно так же Костеа и Фейдт (1998) провели анализ необратимости и влияния площади теплообменника на характеристики двигателя Стирлинга. Эти анализы и оптимизации обычно начинаются с сильно идеализированных моделей цикла Стирлинга, что проблематично, поскольку они не обязательно точно моделируют цикл Стирлинга. Было проведено несколько исследований, посвященных плотности мощности двигателя Стирлинга.Кроме того, было замечено, что коэффициент мертвого объема оказывает значительное влияние на производительность, особенно когда предполагается адиабатическое рабочее пространство (Wills and Bello-Ochende, 2016). Эффект мертвого объема также упоминался некоторыми авторами как отрицательно влияющий на выходную мощность двигателей Стирлинга (Kongtragool and Wongwises, 2006; Puech and Tishkova, 2011). В этих исследованиях проанализировано, как мертвый объем отрицательно влияет на КПД цикла и выходную мощность. Несколько исследований были направлены на оптимизацию удельной мощности двигателя Стирлинга, поскольку размер двигателя представляет экономический интерес (Erbay and Yavuz, 1997, 1999).Эти анализы позволили оптимизировать устройство с точки зрения максимальной удельной мощности, так как это привело к созданию двигателей с хорошей удельной мощностью и высоким КПД.

Было проведено множество исследований по оптимизации энергетических циклов с использованием методологии эксергетического анализа. Где эксергия определяется как энергия, доступная для выполнения работы. Теорема Гуи-Стодола, которая описывает взаимосвязь между обратимой работой W˙rev, необратимой работой W˙irrev, генерацией энтропии S˙gen и температурой окружающей среды T 0 (Bejan, 1996), может быть представлена ​​ниже как уравнение.1.

W˙rev − W˙irrev = W˙lost = T0S˙gen. (1)

Разработка этого уравнения была крупным достижением в термодинамике того времени, и это выражение показывает, что скорость генерации энтропии прямо пропорциональна скорости, с которой разрушается работа. При использовании этой методологии подчеркивается важность оптимизации системы в целом, а не отдельных компонентов (Bejan, 2006). Это делается, поскольку распространение необратимости по всей системе, а не ее минимизация в отдельных компонентах, приводит к действительно оптимизированной системе.

В этой статье представлен новый подход к моделированию потерь и оптимизации двигателя Стирлинга альфа-типа, который включает применение методологии эксергетического анализа к идеальной адиабатической модели цикла Стирлинга. Модель учитывает необратимость из-за теплопередачи через конечный перепад температур, перепадов давления и кондуктивные потери на тепловых мостиках. Представленная модель используется с алгоритмом неявной фильтрации для оптимизации двигателя Стирлинга 1000 см 3 для максимальной выработки мощности с четырьмя различными типами сетки регенератора и фиксированным входом энергии.При анализе предполагается, что рабочая жидкость представляет собой идеальный газ, и в нагревателе и охладителе предполагается конечная теплоемкость, количество трубок нагревателя и охладителя также фиксировано.

Физическая модель

В этом разделе представлена ​​методика, использованная для оптимизации двигателя Стирлинга типа 1000 см 3 alpha для достижения максимальной производительности при фиксированном потреблении энергии. Предполагается, что рабочая жидкость представляет собой сжатый воздух, который ведет себя как идеальный газ. Предполагается, что нагреватель и охлаждающая внешняя жидкость имеют конечную теплоемкость, и в этом анализе используются четыре различных типа сеток регенератора.

Описание модели

Схема двигателя Стирлинга альфа-типа, используемого в анализе, представлена ​​на рисунке 1. На этой диаграмме показаны рабочая частота f , объем V , а также длина нагревателя, охладителя и регенератора L .

Рисунок 1 . Схема двигателя Стирлинга альфа-типа.

Выражения для объемов пространства сжатия и расширения представлены уравнениями 2 и 3. Уравнение. 2 рассчитывает объем в пространстве сжатия V c с использованием зазора V ccl , рабочего объема V c, развертки и угла поворота кривошипа θ.

Vc = Vccl + Vc, свипирование 21 + cosθ. (2)

Точно так же уравнение. 3 рассчитывает объем в пространстве расширения с использованием зазора V ecl , рабочего объема V e, развертки , угла поворота кривошипа θ и разности фаз α.

Ve = Vecl + Ve, развертка21 + cosθ + α. (3)

Уравнения необходимы для определения объемов теплообменников из геометрических переменных. Уравнения 4–9 представляют собой уравнения для объема V и площади A охладителя, нагревателя и регенератора соответственно.

Уравнения 4 и 5 определяют объем V k и площадь поверхности A k в охладителе. Эти уравнения используют количество охлаждающих трубок N k , длину охладителя L k и диаметр охлаждающей трубки D k .

Уравнения 6 и 7 определяют объем V h и площадь поверхности A h нагревателя. В этих уравнениях используется количество трубок нагревателя N h , длина нагревателя L h и диаметр трубки нагревателя D h .

Уравнения 8 и 9 определяют объем V r и площадь поверхности A r в регенераторе. Эти уравнения используют пористость сетки ε , длину регенератора L r , диаметр регенератора D r и гидравлический диаметр d hyd .

На рис. 1 показаны различные параметры двигателя. Для моделирования двигателя некоторые переменные фиксированы, и в таблице 1 приведены эти переменные и их значения.Значения выбраны на основе идеализированной модели двигателя Стирлинга, а количество нагревательных и охлаждающих трубок было выбрано на основе реальных двигателей Стирлинга (Timoumi et al., 2008). Количество нагревательных трубок намного меньше, чем количество охлаждающих трубок; это связано с тем, что снижение температуры рабочей жидкости в охладителе в большей степени влияет на характеристики двигателя, чем повышение температуры рабочей жидкости в нагревателе. Другая причина, по которой в нагревателе меньше трубок, заключается в том, что в реальных двигателях Стирлинга через нагреватель могут протекать продукты сгорания.В зависимости от источника топлива это может привести к загрязнению теплообменника, поэтому расстояние между трубками важно для облегчения очистки. Через охладитель обычно протекает вода, а это значит, что он не засоряется так же быстро, как нагреватель.

Таблица 1 . Таблица фиксированных параметров.

Наряду с этими фиксированными параметрами при оптимизации используются четыре различных типа сетки. Типы сеток и их свойства можно увидеть в Таблице 2.

Математическая модель

В следующем разделе представлены и описаны уравнения, используемые для моделирования двигателя Стирлинга альфа-типа, который оптимизирован в данном исследовании.Сначала представлены модель и идеальная адиабатическая модель цикла Стирлинга. После этого представлены и объяснены уравнения, описывающие теплопередачу, трение потока и потери от теплового моста. Наконец, вводятся уравнения эксергии и скорости генерации энтропии и описывается метод решения.

Описанная модель предполагает конечную теплоемкость нагревателя и охладителя. Диаграмма температуры отсека показывает различные термодинамические свойства и температуру в каждом отсеке, как показано на Рисунке 2.

Рисунок 2 . Последовательно подключенный компонент и температурная диаграмма цикла Стирлинга.

Рисунок 2 используется как средство графического отображения и определения различных термодинамических свойств в отсеках двигателя и потоков энергии. Показанные свойства: давление P , температура T и объем V . Это камеры сжатия c , охладитель k , регенератор r , нагреватель h и пространство расширения e .Интерфейсы отсеков — это пространство сжатия и охладителя cb, интерфейс охладителя и регенератора, интерфейс регенератора и нагревателя и интерфейс нагревателя и пространства расширения. Все уравнения, представленные в этом разделе, можно понять, используя диаграмму и зная, что R — это постоянная идеального газа, C p — удельная теплоемкость при постоянном давлении, C V — удельная теплоемкость при постоянном объеме теплота и γ — отношение удельных теплоемкостей.

Идеальная адиабатическая модель

Идеальная адиабатическая модель была разработана Уриэли и Берховицем как средство более точного моделирования реального цикла Стирлинга. Во время разработки этих моделей итерационные схемы требовали слишком много времени для решения, чтобы сделать модель полезной при оптимизации геометрии двигателя Стирлинга. Однако благодаря достижениям в вычислениях и улучшенным моделям решения принимаются за секунды, а не за минуты, что делает эти числовые модели подходящими для целей оптимизации.

Полный вывод уравнений не представлен, но уравнения перечислены и кратко объяснены. Чтобы увидеть полный вывод уравнений, см. Книгу Уриэли и Берховица (Berchowitz and Urieli, 1984) или онлайн-ресурсы, поддерживаемые Уриэли (2017).

Идеальная адиабатическая модель предполагает незначительное изменение давления в двигателе. Следовательно, уравнение. 10 описывает давление P во всех моторных отсеках.

P = mRVcTc + VkTk + VrTr + VhTh + VeTe.(10)

Предполагая, что общая масса рабочей жидкости в устройстве является суммой масс рабочей жидкости в каждом компоненте, получаем уравнение. 11.

Предполагая, что масса рабочего тела остается постоянной, получаем уравнение. 12.

0 = dme + dmh + dmr + dmk + dmc. (12)

Для охладителя, регенератора и нагревателя предполагается, что объем и температура постоянны. Следовательно, дифференциал масс определяется уравнениями 13–15.

Подставляя уравнения 13–15 в уравнения. 12 и перестановка, дает уравнение.16.

dme + dmc + dPRVkTk + VrTr + VhTh = 0. (16)

Применение математического выражения для первого закона к обобщенной ячейке рабочего пространства дает уравнение. 17.

CvdmT = dQ − dW + Cpm˙inTin − m˙outTout. (17)

Перестановка уравнения. 17, чтобы дать изменение массы в пространствах сжатия и расширения, получаем уравнения 18 и 19.

dme = 1RTebPdVe + 1γVedP, (18) dmc = 1RTcbPdVc + 1γVcdP. (19)

Подставляя уравнения 18 и 19 в уравнение. 16 и перестановка дает уравнение. 20.

dP = −γPdVeTeb + dVcTcbVcTcb + γVkTk + VrTr + VhTh + VeTeb.(20)

Определение разницы температур в пространствах сжатия и расширения дает уравнения 21 и 22.

dTc = TcdPP ​​+ dVcVc − dmcmc, (21) dTe = TedPP + dVeVe − dmeme. (22)

Массовые потоки через границы отсеков определяются уравнениями 23–26.

m˙kb = m˙cb − dmk, (24)

Условные температуры, которые зависят от направления потока жидкости в нагревателе и охладителе, соответствуют уравнениям 27 и 28.

если m˙cb> 0, тогда Tcb = TcelseTcb = Tk, (27) ifm˙eb> 0thenTeb = ThelseTeb = Te.(28)

Уравнения энергии, описывающие тепло, поглощаемое и отводимое в охладителе, регенераторе и нагревателе, представляют собой уравнения 29–31.

dQk = CvRVkdP − Cpm˙cbTcb − m˙kbTk, (29) dQr = CvRVrdP − Cpm˙kbTk − m˙hbTh, (30) dQh = CvRVhdP − Cpm˙hbTh − m˙ebTeb. (31)

Уравнения энергии, которые описывают выходную работу цикла, — это уравнения 32 и 33.

Потери потока

При расчете перепада давления Δ P в теплообменниках используется подход с коэффициентом трения Рейнольдса f r , поскольку это приводит к изменению знака перепада давления при изменении направления потока (Berchowitz and Urieli, 1984) .Коэффициент трения Рейнольдса определяется как коэффициент трения Дарси f D , умноженный на число Рейнольдса Re.

Уравнение 34 используется для расчета перепада давления Δ P , где используются вязкость μ, скорость газа u , объем V , площадь потока A , расход и гидравлический диаметр d hyd .

ΔP = −frμvV2Aflowdhyd2. (34)

Уравнение 35 представляет собой коэффициент трения Дарси f D в регенераторе и рассчитывается с использованием максимального числа Рейнольдса Re max (Tanaka et al., 1990).

В случае охладителя и нагревателя для расчета коэффициента трения Дарси используется однонаправленный гладкий поток в трубе f D (Joseph and Yang, 2010). Эти соотношения относятся к потоку в турбулентном режиме, как это видно из уравнений 36 и 37.

fD = 0,351Re − 0,255 (3,050 Отношения теплопередачи

Уравнения 38 и 39 предназначены для числа Нуссельта Nu и эффективности регенератора ε (Танака и др., 1990).

Числа = 0,33, Средние 0,67, (38)

Уравнение 40 — это соотношение Гниелинского, которое используется для расчета числа Нуссельта в нагревателе и охладителе (Гниелински, 1975). Затем это, в свою очередь, используется для расчета коэффициента теплопередачи h в нагревателе и охладителе.

Nu = hDk = fD / 8Re − 1000Pr1 + 12,7fD / 81 / 2Pr2 / 3−1 (3000 Предполагая, что общий коэффициент теплопередачи U в нагревателе и охладителе равен коэффициенту теплопередачи h на внутренней стороне трубок, это, в свою очередь, используется для вычисления количества единиц передачи (NTU), рассматривается как уравнение.41.

Это используется для вычисления NTU в нагревателе и охладителе, которое, в свою очередь, используется для вычисления эффективности ε в нагревателе и охладителе, как видно из уравнения. 42.

Проводящие потери на тепловые мосты

Потери на кондуктивные тепловые мосты Q˙cond включены в анализ, поскольку тепло передается между горячей и холодной частями двигателя (Ahmadi et al., 2016). Уравнение 43 количественно определяет теплопроводные потери от моста, которые рассчитываются с использованием теплопроводности регенератора k cond , площади проводимости A cond , длины регенератора L r и температуры нагревателя T ч и более низкая температура T k .

Q˙cond = kcondAcondLrTh − Tk. (43)

Анализ эксергии

Определение эксергии двигателя дает уравнение. 44. Это уравнение используется для расчета выходной мощности W˙net с использованием входящей эксергии X˙in, выходящей эксергии X˙out и коэффициента необратимости İ, который равен T0S˙gen, total.

W˙net = X˙in − X˙out − İ. (44)

Математическое определение второго закона с точки зрения угла поворота коленчатого вала θ дает уравнение. 45.

dSdθ = ∑i1TidQdθi + ∑indmdθs − ∑outdmdθs + dSgendθ. (45)

Следовательно, определение генерации энтропии за цикл S gen и допущение постоянного массового расхода dmdθ через теплообменники дает уравнение.46. ​​

Sgen = ∫ 2π0 dmdθsout − sindθ − QT. (46)

Определение разницы в энтропии между входящим и выходящим газами S на выходе S в дает уравнение. 47.

sout − sin = CplnToutTin − RlnPoutPin. (47)

Подставляя уравнение. 47 в 46 дает энтропию, генерируемую за цикл Sgen, которая является уравнением. 48.

Sgen = ∫ 2π0 dmdθCp lnToutTin − R lnPoutPindθ − QT. (48)

Таким образом, скорость генерации энтропии S˙gen определяется как Eq. 49.

S˙gen = fSgen = 12π∫ 2π0 m˙ Cp lnToutTin− R lnPoutPindθ − Q̇T.(49)

Поскольку поток меняет направление генерации энтропии из-за падения давления, можно записать уравнение. 50.

S˙gen, ΔP = R2π∫ 2π0 m˙lnPoutPindθ. (50)

Уравнение скорости генерации энтропии в нагревателе S˙gen, h определяется как Ур. 51.

S˙gen, h = ChlnTh2 − εhTh2 − ThTh2 + R2π∫02πm˙hlnPebPhbdθ + Q˙loss, hT0. (51)

Уравнение скорости генерации энтропии в охладителе S˙gen, k определяется как уравнение. 52.

S˙gen, k = CklnTK1 + εkTk − TK1TK1 + R2π∫02πm˙klnPkbPcbdθ + Q˙loss, kT0. (52)

Использование определения эффективности ε для определения температур на выходе из регенератора рассматривается как уравнение.53.

εr = Thb − TkTh − Tk = Th − TkbTh − Tk. (53)

Следовательно, уравнение для скорости генерации энтропии в регенераторе S˙gen, r определяется как уравнение. 54.

S˙gen, r = Cp4πlnTkbThbTkTh∫02πm˙rdθ + R2π∫02πm˙rlnPhbPkbdθ + Q˙loss, rT0. (54)

Предполагая, что скорость генерации энтропии в пространствах расширения и сжатия пренебрежимо мала по сравнению со скоростью генерации энтропии в теплообменниках S˙gen, e = S˙gen, c = 0, общая скорость генерации энтропии S˙gen, total может быть рассчитан путем суммирования скоростей генерации энтропии в нагревателе S˙gen, h, регенераторе S˙gen, r и охладителе S˙gen, k, как видно из уравнения.55.

S˙gen, всего = S˙gen, h + S˙gen, r + S˙gen, k. (55)

Определение целевой функции путем подстановки уравнений 51, 52 и 55 в уравнение. 55 и предполагая, что все теплообменники являются полностью адиабатическими, получаем уравнение. 56.

WNET = ChεhTh2-че-T0ChlnTh2Th2-εhTh2-че-CkεkTk-TK1-T0CklnTK1TK1 + εkTk-TK1-T0ChlnTh2-εhTh2-ThTh2 + R2π∫02πm˙hlnPebPhbdθheater-T0Cp4πlnTkbThbTkTh∫02πm˙rdθ + R2π∫02πm˙rlnPhbPkbdθregenerator-T0CklnTK1 + εkTk − TK1TK1 + R2π∫02πm˙klnPkbPcbdθcooler. (56)

Уравнение 56 — это целевая функция, которая дает выходную мощность двигателя.Эта функция используется для оптимизации геометрии двигателя Стирлинга.

Метод решения

Решение получено с использованием трех итерационных циклов. Внешний цикл вычисляет ввод энергии; средний цикл вычисляет разность температур для адекватной теплопередачи в охладителе, а внутренний цикл вычисляет решение уравнений идеальной адиабатической модели. Средний контур принимает значения массового расхода и энергии из внутреннего контура и использует их для вычисления температуры газа в нагревателе и охладителе.Затем это значение сравнивается с предыдущей итерацией, и, если оно находится в пределах указанного допуска, сходимость достигнута. Внутренний цикл вычисляет решение идеальной адиабатической модели, поскольку решения в замкнутой форме не существует и, следовательно, требуется итерационный метод. Чтобы быстро и эффективно найти решение, в анализе используются два разных итерационных метода. Метод Рунге – Кутта используется для первых четырех итераций, а после этого используется метод Адамса – Башфорта.Это сокращает время вычислений, поскольку метод Адамса – Башфорта не требует вычисления промежуточных шагов, а использует только ранее вычисленные производные, что приводит к большей вычислительной эффективности (Faires and Burden, 2010). Эта схема работает до тех пор, пока не будет достигнута сходимость между начальной и конечной температурами в пространствах сжатия и расширения. Как только эта сходимость достигается, массовые расходы и значения энергии используются во внешнем контуре для расчета температуры нового нагревателя и более холодного газа.Эта схема работает во внешнем контуре, который изменяет рабочую частоту двигателя до тех пор, пока не будет получена желаемая подводимая энергия.

Алгоритм оптимизации

Чтобы оптимизировать геометрию и рабочую частоту двигателя Стирлинга, задача изначально формулируется как задача минимизации ограниченных ограничений. Стандартная форма такой задачи — формула. 57.

где

Минимизируемая функция — уравнение. 57, которая является целевой функцией для чистой выходной мощности двигателя.Эта оптимизация достигается за счет минимизации отрицательных результатов работы. Однако уравнения, описанные в предыдущем разделе, демонстрируют несколько характеристик, которые делают оптимизацию целевой функции непригодной для классических алгоритмов на основе градиента. Проблемы, которые делают эту функцию непригодной для схем оптимизации на основе градиента, перечислены ниже:

1. Функция прерывистая.

2. Функция негладкая.

3. Имеется некоторый числовой шум.

4. О функциональном пространстве известно немного.

5. Оценка каждой функции стоит дорого.

Описанная функция обладает этими характеристиками, поэтому требуется специальный алгоритм. Алгоритм выбора — схема неявной фильтрации, первоначально разработанная профессором Келли и его коллегами (Kelley, 1999, 2011). Этот алгоритм был разработан для проблем с шумом, когда производная информация слишком трудна для получения или является неточной. В своей простейшей форме метод, разработанный Келли, представляет собой алгоритм наискорейшего спуска с разностными градиентами, которые постепенно уменьшаются по мере того, как решение приближается к минимуму.Используемый квазиньютоновский метод представляет собой обновление Бройдена – Флетчера – Шенно – Гольдфарба. Это обновление позволяет быстро и эффективно аппроксимировать обратный гессиан.

Результаты и обсуждение результатов

Процедура анализа и оптимизации позволила найти оптимальную геометрию и частоту вращения двигателя, обеспечивающие максимальную выходную мощность при фиксированном тепловложении. Оптимизированными переменными являются общая длина теплообменника, коэффициент мертвого объема, длина регенератора, длина трубки нагревателя, длина трубки охладителя, отношение объема пространства сжатия к объему пространства расширения, разность фаз и рабочая частота.

Объем работы и эффективность

Рисунок 3 представляет собой график зависимости максимальной выходной мощности сети, минимальной общей скорости необратимости и поглощенной энергии от температуры на входе нагревателя для четырех различных типов ячеек.

Рисунок 3 . Максимальная выходная мощность сети, минимальный общий коэффициент необратимости и поглощенная энергия в зависимости от температуры на входе нагревателя для типов ячеек WN50 (A) , WN100 (B) , WN150 (C) и WN200 (D) .

Рисунок 3 показывает, что по мере увеличения температуры на входе в нагреватель максимальная полезная мощность увеличивается, а минимальная степень необратимости уменьшается. Причина в том, что оптимальная рабочая частота двигателя снижается с увеличением температуры на входе в нагреватель, что снижает показатель необратимости. Также видно, что оптимальная длина регенератора увеличивается вместе с эффективностью регенератора, что снижает необратимость теплопередачи в регенераторе. Это наиболее ярко проявляется в сетке WN200, поскольку эта сетка является самой тонкой сеткой, что обеспечивает наибольшую площадь теплопередачи на единицу объема, тогда как WN50 предлагает самую низкую площадь теплопередачи на единицу объема.

На рис. 4 показан график зависимости максимальной выходной мощности сети и максимального теплового КПД от температуры на входе нагревателя.

Рисунок 4 . Максимальная полезная мощность (A) и максимальная тепловая эффективность (B) в зависимости от температуры на входе нагревателя.

График максимальной эффективности, показанный на рисунке 4B, следует из графика максимальной выходной мощности сети, показанного на рисунке 4A. Из этих рисунков видно, что по мере увеличения температуры на входе в нагреватель увеличивается максимальная полезная мощность и максимальный КПД.Также можно увидеть, что сетка WN200 обеспечивает более высокую производительность, чем сетка других типов. В то время как WN50 дает худшую производительность. Причина этого в том, что сетка WN200 является самой тонкой сеткой, которая дает наибольшую площадь поверхности на единицу объема, что приводит к сетке, которая дает наименьшую степень необратимости в регенераторе. Сетка WN200 также обеспечивает наименьший регенератор с точки зрения пустого объема, что означает, что больший доступный мертвый объем может быть отведен нагревателю и охладителю.Это дает более крупные трубы нагревателя и охладителя, имеющие большую площадь поверхности и меньший перепад давления, это приводит к более низким показателям необратимости в этих компонентах и ​​в сочетании с повышенной производительностью регенератора дает более высокую общую производительность двигателя.

Размещение тома

Рисунок 5 представляет собой график зависимости оптимального отношения мертвого объема от температуры на входе в нагреватель.

Рисунок 5 . Оптимальное соотношение мертвого объема в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

На рис. 5 показано, что оптимальный коэффициент мертвого объема уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель.Причина этого в том, что с увеличением разницы температур между нагревателем и охладителем оптимальное соотношение мертвого объема уменьшается. В случае идеальной адиабатической модели существует оптимальный коэффициент мертвого объема для максимальной выходной мощности сети, и по мере того, как коэффициент мертвого объема стремится к единице, эффективность цикла увеличивается до эффективности Карно (Wills and Bello-Ochende, 2016). Эти две разные проектные точки играют неотъемлемую часть в оптимизации цикла Стирлинга, поскольку оптимальное соотношение мертвого объема — это когда чистый выходной объем и эффективность уравновешиваются мертвым объемом, что дает оптимальную геометрию двигателя для минимального уровня необратимости. .При дальнейшем рассмотрении результатов можно сделать вывод, что существуют проектные точки, которые обеспечивают более низкие коэффициенты необратимости. Однако распределение объема не является близким к оптимальному, что снижает общую производительность двигателя. Следовательно, коэффициент необратимости необходимо минимизировать, а также оптимизировать распределение объема.

Рисунок 6 представляет собой график зависимости оптимального отношения рабочего объема от температуры на входе в нагреватель.

Рисунок 6 . Оптимальное соотношение рабочего объема в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

На рис. 6 показано, что оптимальное соотношение рабочего объема уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель. Причина этого в том, что соотношение температур нагревателя и охладителя увеличивается с увеличением температуры на входе в нагреватель. При анализе идеальной модели оптимальное отношение рабочего объема пространства сжатия к рабочему объему пространства расширения всегда меньше единицы и уменьшается с увеличением соотношения температур нагревателя и охладителя. Это связано с тем, что по мере увеличения соотношения температур нагревателя и охладителя часть тепла, передаваемого из охладителя, уменьшается, поэтому требуется меньше работы по сжатию, поскольку эта работа прямо пропорциональна тепловой нагрузке в охладителе.Это дает меньшее пространство для сжатия по сравнению с пространством расширения, поскольку уменьшает входную работу пространства сжатия по сравнению с выходом работы пространства расширения.

Геометрия теплообменника

Размер теплообменников существенно влияет на производительность двигателя Стирлинга. На следующих графиках показаны оптимальные значения геометрии теплообменника при различных температурах на входе в нагреватель, которые соответствуют оптимальной производительности двигателя при фиксированной подводимой теплоте.

Рисунок 7 представляет собой график зависимости оптимальной длины регенератора от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов ячеек.

Рисунок 7 . Оптимальная длина регенератора в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

Рисунок 7 показывает, что оптимальная длина регенератора увеличивается с увеличением температуры на входе в нагреватель. Также можно видеть, что сетка типа WN200 дает самый короткий регенератор, а сетка WN50 дает самый длинный регенератор. Причина этого в том, что сетка WN200 предлагает наибольшую площадь поверхности на единицу объема, а сетка WN50 дает наименьшую площадь поверхности на единицу объема.Таким образом, оптимальная длина сетки для типа сетки WN200 значительно короче, чем для типа сетки WN50. Это существенно влияет на производительность двигателя, поскольку регенератор меньшего размера имеет меньший объем пустот, а это означает, что большая часть доступного мертвого объема может быть отведена охладителю и нагревателю, увеличивая производительность этих компонентов. Более короткий регенератор также дает меньший перепад давления, что приводит к увеличению оптимальной рабочей частоты, что означает, что в единицу времени выполняется больше циклов, что обеспечивает более высокую выходную мощность.

Рисунок 8 представляет собой график зависимости оптимальной эффективности регенератора от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов сеток.

Рисунок 8 . Оптимальная эффективность регенератора в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

Рисунок 8 показывает, что сетка WN200 обеспечивает максимальную оптимальную эффективность регенератора, причина этого в том, что сетка WN200 является самой мелкой сеткой и, следовательно, дает наибольшую площадь теплопередачи на единицу объема. Это положительно сказывается на характеристиках двигателя, поскольку более высокая эффективность регенератора снижает необратимость теплопередачи, тем самым снижая общий коэффициент необратимости.Сетка WN200 также дает самый низкий перепад давления из всех типов ячеек, это означает, что двигатель с сеткой типа WN200 будет работать с более высокой частотой, что увеличивает производительность двигателя. Причина более низкого падения давления заключается в том, что сетка типа WN200 обеспечивает более широкий и короткий оптимальный регенератор, тем самым уменьшая падение давления по сравнению с сеткой WN50, которая длиннее.

Рисунок 9 представляет собой график зависимости оптимальной длины и диаметра трубы охладителя от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов ячеек.

Рисунок 9 . Оптимальная длина охлаждающей трубки (A) и диаметр (B) в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

Рисунок 10 представляет собой график зависимости оптимальной длины и диаметра трубки нагревателя от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов ячеек.

Рисунок 10 . Оптимальная длина трубки нагревателя (A) и диаметр (B) в зависимости от температуры на входе нагревателя.

Рисунок 11 представляет собой график зависимости оптимальной эффективности нагревателя и оптимальной эффективности охладителя от температуры на входе нагревателя для четырех различных типов сетки.

Рисунок 11 . Оптимальная эффективность нагревателя (A) и эффективность охладителя (B) в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

На рисунках 9 и 10 показано, что длина и диаметр трубок охладителя и нагревателя уменьшаются с увеличением температуры на входе в нагреватель. Причина этого в том, что по мере увеличения температуры на входе в нагреватель оптимальная рабочая частота уменьшается; тем самым уменьшая массовый расход рабочей жидкости через теплообменники.Из-за этого уменьшения скорости потока падение давления в регенераторе уменьшается, что приводит к увеличению длины регенератора и уменьшению диаметра, это увеличивает эффективность регенератора, что снижает степень необратимости регенератора. Это уменьшает мертвый объем, который может быть отнесен к другим теплообменникам, поскольку объем пустот в регенераторе увеличивается с увеличением длины регенератора, а оптимальный коэффициент мертвого объема также уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель.Следовательно, трубы охладителя и нагревателя уменьшаются в длине и диаметре по мере уменьшения доступного мертвого объема и увеличения пустотного объема регенератора. Это приводит к уменьшению площади поверхности теплообменника, что влияет на характеристики теплопередачи.

На рис. 11 показано, что эффективность охладителя и нагревателя снижается с увеличением температуры на входе в нагреватель. Причина этого снижения эффективности заключается в том, что оптимальная частота вращения двигателя уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель, это уменьшает коэффициент теплопередачи в нагревателе, а площадь поверхности в нагревателе также уменьшается по мере уменьшения оптимального отношения мертвого объема и объема пустот. регенератора увеличивается.Это уменьшает NTU в нагревателе, что приводит к снижению эффективности.

При сравнении рисунков 9–11 видно, что охладитель имеет большую площадь поверхности и большую эффективность, чем нагреватель, и это связано с тем, что трубок холоднее, чем трубок нагревателя. Это указано, поскольку производительность охладителя оказывает гораздо более заметное влияние на производительность двигателя, чем нагреватель. Снижение температуры рабочей жидкости в охладителе имеет сравнительно большее влияние на эффективность, чем повышение температуры рабочей жидкости в нагревателе, что можно легко проиллюстрировать, просто проанализировав выражение для КПД Карно.

Рабочая частота

Это исследование отличается от многих других исследований, поскольку рассчитывается оптимальная рабочая частота двигателя, тогда как в других исследованиях рабочая частота указывается. Этот подход позволяет оптимизировать рабочую частоту с другими переменными, чтобы обеспечить оптимальную производительность двигателя.

Рисунок 12 представляет собой график зависимости оптимальной рабочей частоты от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов сеток регенератора.

Рисунок 12 .Оптимальная рабочая частота в зависимости от температуры на входе нагревателя.

Рисунок 12 показывает, что оптимальная рабочая частота уменьшается с увеличением температуры на входе нагревателя. Причина этого в том, что по мере увеличения температуры на входе нагревателя количество энергии, поглощаемой за цикл, увеличивается, таким образом, требуемая рабочая частота для поглощения заданной входной энергии уменьшается. График также показывает, что сетка типа WN200 дает более высокую оптимальную рабочую частоту, чем сетка типа WN50.Разница в рабочей частоте для каждого типа сетки заключается в том, что число Рейнольдса в регенераторе для данного массового расхода больше для сетки типа WN50, чем для типа сетки WN200. Это приводит к тому, что оптимальная рабочая частота выше для типа ячейки WN200, поскольку оптимальное число Рейнольдса в регенераторе находится на более высокой рабочей частоте для типа ячейки WN200, чем для типа ячейки WN50. Эта повышенная рабочая частота также увеличивает производительность нагревателя и охладителя по мере увеличения массового расхода.

Этот результат также показывает, почему машины большего размера будут работать лучше, поскольку машины большего размера будут поглощать больше энергии за цикл и, таким образом, допускать более низкие рабочие частоты и, таким образом, меньшую степень необратимости регенератора. Этот эффект будет особенно заметен в случае более низких температур на входе в нагреватель, так как здесь рабочая частота высока, и ее уменьшение резко улучшит характеристики двигателя.

Разность фаз

Рисунок 13 представляет собой график зависимости оптимальной разности фаз от температуры источника нагревателя.

Рисунок 13 . Оптимальная разность фаз в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

На рис. 13 показана оптимальная разница фаз в зависимости от температуры на входе в нагреватель для четырех типов разностной сетки. График показывает, что существует оптимальная разность фаз для каждой температуры на входе в нагреватель и что оптимальная уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель. График показывает, что оптимальное отличается от оптимального π / 2 rads, которое является оптимальным, полученным при анализе идеального цикла.Причина этой разницы в том, что разность фаз сильно влияет на массовые потоки через устройство, а также на минимальный и максимальный объемы двигателя, тем самым влияя на характеристики двигателя.

Заключение

Этот анализ и оптимизация двигателя Стирлинга 1000 см 3 альфа с конечной теплоемкостью в нагревателе и охладителе и фиксированным потреблением энергии представляет собой новый анализ и оптимизацию геометрии двигателя Стирлинга с использованием методологии эксергетического анализа с неявный алгоритм фильтрации.Эта модель может использоваться разработчиками двигателя Стирлинга в качестве начальной процедуры оптимизации для поиска оптимальных или почти оптимальных проектных точек перед более сложным моделированием и экспериментированием. Анализ показывает значительное влияние, которое выбор сетки регенератора оказывает на производительность двигателя и размер оптимального регенератора при заданных размерах сетки. Оптимизация показывает, что сетка WN200 обеспечивает лучшую производительность двигателя среди проанализированных типов сетки. Анализ показал, что оптимальная длина регенератора увеличивается, а оптимальная рабочая частота двигателя уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель.Оптимальные объемные соотношения, оптимальная геометрия теплообменника и фазовый угол также представлены вместе с обсуждением тенденций, наблюдаемых в оптимальных переменных. Что касается будущей работы, подход эксергетического анализа необходимо использовать с более сложными многомерными моделями двигателей Стирлинга. Кроме того, необходимо учитывать эффекты внешней теплопередачи в нагревателе и охладителе, эти эффекты включают влияние толщины трубки и коэффициента теплопередачи на внешней стороне трубок. Эти эффекты следует учитывать, поскольку они могут повлиять на температуру рабочей жидкости нагревателя и охладителя и, таким образом, на характеристики двигателя.

Авторские взносы

JW разработал модель, провел анализ и написал рукопись. TB-O задумал анализ и отредактировал рукопись.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Кейптаунскому университету и Национальному исследовательскому фонду (NRF) за финансовую помощь в выполнении этой работы.Высказанные мнения и сделанные выводы принадлежат авторам и не обязательно приписываются NRF и UCT.

Финансирование

Эта работа финансировалась Национальным исследовательским фондом (NRF) и Кейптаунским университетом (UCT). Высказанные мнения и сделанные выводы не обязательно приписываются NRF и UCT.

Список литературы

Ахмади, М. Х., Мохаммад, А., и Мехди, М. (2016). Исследование влияния проектных параметров на выходную мощность и тепловой КПД двигателя Стирлинга с помощью термодинамического анализа. Внутр. J. Low Carbon Technol. 11, 141–156. DOI: 10.1093 / ijlct / ctu030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бабаэлахи М. и Сайяди Х. (2015). Новая тепловая модель, основанная на политропном численном моделировании двигателей Стирлинга. Заявл. Энергия 141, 143–159. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2014.12.033

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бежан, А. (1996). Минимизация генерации энтропии: новая термодинамика устройств конечных размеров и процессов с конечным временем. J. Appl. Phys. 79, 1191–1218. DOI: 10.1063 / 1.362674

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бежан, А. (2006). Передовая инженерная термодинамика . Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья.

Google Scholar

Berchowitz, D., and Urieli, I. (1984). Анализ двигателя цикла Стирлинга, альтернативные источники энергии . Бристоль: Адам Хильгер.

Google Scholar

Кампос, М. К., Варгас, Дж. В. К., Ордонез, Дж.С. (2012). Термодинамическая оптимизация двигателя Стирлинга. Energy 44, 902–910. DOI: 10.1016 / j.energy.2012.04.060

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Костя М. и Фейдт М. (1998). Влияние изменения общего коэффициента теплопередачи на оптимальное распределение теплопроводности или площади поверхности теплопередачи в двигателе Стирлинга. Energy Convers. Manag. 39, 1753–1761. DOI: 10.1016 / S0196-8904 (98) 00063-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

де Бур, П.К. Т. (2003). Максимально достижимая производительность двигателей и холодильников Стирлинга. J. Heat Transfer 5, 911–915. DOI: 10.1115 / 1.1597618

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дайсон, Р. В., Уилсон, С. Д., и Тью, Р. С. (2004). «Обзор вычислительных методов анализа Стирлинга», в 2nd International Energy Conversion Engineering Conference (Providence: American Institute of Aeronautics and Astronautics), 511–531. DOI: 10.2514 / 6.2004-5582

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эллаббан, О., Абу-Руб, Х., и Блаабьерг, Ф. (2014). Возобновляемые источники энергии: текущее состояние, перспективы на будущее и технологии, позволяющие использовать их. Обновить. Поддерживать. Energy Rev. 39, 748–764. DOI: 10.1016 / j.rser.2014.07.113

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эрбай, Л. Б., и Явуз, Х. (1997). Анализ теплового двигателя Стирлинга в условиях максимальной мощности. Energy 22, 645–650. DOI: 10.1016 / S0360-5442 (96) 00159-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эрбай, Л.Б., и Явуз, Х. (1999). Оптимизация необратимого теплового двигателя Стирлинга. Внутр. J. Energy Res 23, 863–873. DOI: 10.1002 / (SICI) 1099-114X (199908) 23:10 <863 :: AID-ER523> 3.0.CO; 2-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фейрес, Дж., И Бёрден, Д. (2010). Численный анализ . Бостон: Брукс Коул.

Google Scholar

Финкельштейн, Т. (1960). «Обобщенный термодинамический анализ двигателей Стирлинга», в техническом документе .Детройт: SAE International. DOI: 10.4271 / 600222

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гниелинский, В. (1975). «Новые уравнения тепломассопереноса в турбулентном потоке в трубах и каналах», в Технический отчет NASA STI / Recon A , Берлин, Vol. 75, 8–16.

Google Scholar

Джозеф Д. Д. и Ян Б. Х. (2010). Корреляция коэффициентов трения для ламинарного, переходного и турбулентного течения в гладких трубах. Physica D 239, 1318–1328.DOI: 10.1016 / j.physd.2009.09.026

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Келли, К. Т. (1999). Итерационные методы оптимизации . Роли: СИАМ.

Google Scholar

Келли, К. Т. (2011). Неявная фильтрация . Роли: СИАМ.

Google Scholar

Kongtragool, B., and Wongwises, S. (2003). Обзор двигателей Стирлинга на солнечных батареях и низкотемпературных двигателей Стирлинга. Обновить. Поддерживать.Energy Rev. 7, 131–154. DOI: 10.1016 / S1364-0321 (02) 00053-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kongtragool, B., и Wongwises, S. (2006). Термодинамический анализ двигателя Стирлинга, включая мертвые объемы горячего пространства, холодного пространства и регенератора. Обновить. Энергия 31, 345–359. DOI: 10.1016 / j.renene.2005.03.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартадж Н., Гросу Л. и Рошель П. (2006). Эксергетический анализ и оптимизация конструкции двигателя Стирлинга. Внутр. J. Energy 3, 45–67. DOI: 10.1504 / IJEX.2006.008325

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пуэч П., Тишкова В. (2011). Термодинамический анализ двигателя Стирлинга, включая мертвый объем регенератора. Обновить. Энергия 36, 872–878. DOI: 10.1016 / j.renene.2010.07.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сенфт, Дж. Р. (1998). Теоретические пределы производительности двигателей Стирлинга. Внутр. J. Energy Res 22, 991–1000.DOI: 10.1002 / (SICI) 1099-114X (199809) 22:11 <991 :: AID-ER427> 3.0.CO; 2-U

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стирлинг, Р. (1816 г.). Воздушный двигатель Стирлинга и регенератор тепла . Патент Соединенного Королевства 4081.

Google Scholar

Танака М., Ямасита И. и Чисака Ф. (1990). Характеристики потока и теплопередачи регенератора двигателя Стирлинга в колеблющемся потоке. JSME Int. J. 33, 283–289.

Google Scholar

Томбаре, Д.Г., и Верма, С. К. (2008). Технологические разработки в двигателях цикла Стирлинга. Обновить. Поддерживать. Energ. Ред. 12, 1–38. DOI: 10.1016 / j.rser.2006.07.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тимуми Ю., Тлили И. и Насралла С. Б. (2008). Оптимизация производительности двигателей Стирлинга. Обновить. Energy 33, 2134–2144. DOI: 10.1016 / j.renene.2007.12.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тлили И., Тимуми Ю. и Насралла С.Б. (2008). Анализ и рассмотрение конструкции двигателя Стирлинга с разницей средней температуры для солнечной энергетики. Обновить. Энергия 33, 1911–1921. DOI: 10.1016 / j.renene.2007.09.024

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тогьяни С., Касаэян А. и Ахмади М. Х. (2014). Многоцелевая оптимизация двигателя Стирлинга неидеальным адиабатическим методом. Energy Convers. Manag. 80, 54–62. DOI: 10.1016 / j.enconman.2014.01.022

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уриэли, И.(2017). Анализ машины Стирлинга . Огайо: Университет Огайо.

Google Scholar

Уокер, Г. (1980). Двигатели Стирлинга . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета.

Google Scholar

Уиллс, Дж. А., и Белло-Оченде, Т. (2016). «Теоретический термодинамический анализ и оптимизация двигателя Стирлинга с точки зрения мертвого объема», 4-я Южноафриканская конференция по солнечной энергии (SASEC2016) (Стелленбош).

Google Scholar

Ву, Ф., Chen, L., Wu, C., and Sun, F. (1998). Оптимальная производительность необратимого двигателя Стирлинга с несовершенной регенерацией. Energy Convers. Manag. 39, 727–732. DOI: 10.1016 / S0196-8904 (97) 10036-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Разработка высокоэффективного двигателя внутреннего сгорания Стирлинга

В настоящее время разрабатывается уникальный двигатель, основанный на принципе регенерации. разработан с целью достижения высокой эффективности торможения в течение широкий диапазон мощности. Его можно охарактеризовать как внутреннее сгорание. Двигатель Стирлинга (ICSE).Двигатель представляет собой конфигурацию с раздельным циклом. с регенератором между цилиндром впуска / сжатия и силовой / выпускной цилиндр. Регенератор действует как противоточный теплообменник. обменник. Во время выхлопа горячие газы охлаждаются регенератор. Регенератор сохраняет это тепло. В следующем цикле сжатые газы текут в обратном направлении и нагреваются регенератор. Газы, поступающие из регенератора в силовой цилиндр очень горячий (~ 900 ° C), что обеспечивает необходимый температура газа для самовоспламенения дизельного и других видов топлива.

Представлен упрощенный анализ воздушного цикла двигателя ICS. подтвердить концепцию термодинамики и показать присущие разница между ICS и обычным двигателем внутреннего сгорания двигатель (ДВС) показал экономичность. Указанный двигатель ДВС КПД увеличивается с увеличением степени сжатия и составляет нечувствителен к пиковым температурам, тогда как в двигателе ICS указанная эффективность увеличивается с уменьшением степени сжатия и повышение пиковой температуры. Эта концепция двигателя является кандидатом для применения технологии адиабатических двигателей, которая была исследовал много лет.Из материалов, выдерживающих высокие температуры, возможна эффективность торможения 60-70%. Слабый нагрев передача важна для правильной работы двигателя.

Многоступенчатый циклический компьютер, показывающий термодинамические и жидкостные во время развитие двигателя. Наконец, были проведены подробные исследования возмущений. проведено, чтобы полностью понять чувствительность конструкции АСУ ТП. An модель трения двигателя была добавлена ​​к компьютерной модели, чтобы иметь возможность сравнить оценки ICSE BSFC и BMEP с двигателями ICE.

Важные инновации в двигателе ICS включают устранение потери на дросселирование, низкое трение из-за низкой степени сжатия и очень высокий КПД воздушного цикла (~ 80%) в сочетании с низким коэффициент сжатия. Двигатель рассчитан на максимально возможное эффективность. Помимо этих преимуществ, двигатель имеет сгорание под почти постоянным давлением, что должно помочь снизить выбросы NOx формирование.

Основные выводы: двигатель ICS более эффективен, чем бензиновые или дизельные двигатели во всем рабочем диапазоне особенно при частичной мощности.При полностью открытой дроссельной заслонке двигатель ICS более эффективен, чем бензиновый или дизельный двигатель. Этот преимущество увеличивается при частичной мощности. С отрицательной стороны, ICS двигателю присуща низкая удельная мощность (объемный КПД) из-за низкой степени сжатия, позднего забора воздуха и позднего горение. Опытный образец двигателя и скромный динамометр для испытаний двигателя и приборы близятся к завершению, чтобы продемонстрировать P&B Enterprises, Inc. (PBEI), концепция ICSE. Прототип — это модернизированный двухцилиндровый дизельный двигатель.В прототипе используется существующий блок двигателя, а коленчатый вал и распределительный вал подходят к существующие места в блоке. Ожидаемые проблемы, которые необходимо решить с прототипом двигателя — пусковые, характеристики сгорания, контроль температуры регенератора и высокие коэффициенты турбонаддува для достичь разумной удельной мощности.

термодинамика — КПД двигателя Стирлинга и теорема Карно

Обновленный ответ. 2017-07-01

Нет противоречия, потому что ваш анализ включает только то, что происходит с газообразным рабочим веществом в двигателе Стирлинга, и не учитывает важный компонент двигателя, называемый регенератором.Если регенератор не входит в состав двигателя, когда мы проводим анализ эффективности, то у нас нет устройства, которое квалифицируется как тепловой двигатель, работающий между двумя температурами, и поэтому не следует ожидать, что он будет соответствовать требованиям Карно. Теорема, как я сформулировал в исходной версии этого ответа.

Однако, если правильно принять во внимание регенератор, то мы обнаружим, что КПД двигателя составляет КПД Карно.

Конечно, весь анализ здесь является идеализированным, в котором мы предполагаем, например, что нет потерь энергии из-за трения в компонентах двигателя.

Подробнее.

Двигатель Стирлинга сложнее, чем на это указывает диаграмма $ P $ — $ V $, нарисованная в вопросе. Если концептуально уменьшить двигатель до его простейшего вида, он содержит два основных компонента:

  1. Газообразное рабочее вещество. Это часть двигателя, термодинамическое состояние которой движется по кривой на диаграмме $ P $ — $ V $.
  2. Регенератор. Эта часть двигателя поглощает и накапливает энергию, отдаваемую газообразным рабочим телом за счет теплопередачи во время процесса $ 2 \ to 3 $, а затем возвращает ту же энергию газообразному рабочему веществу во время процесса $ 4 \ to 1 $.

Ключевым моментом является то, что, когда регенератор включен, нет чистой передачи тепла в двигатель или из двигателя во время процессов $ 2 \ to 3 $ и $ 4 \ to 1 $. Энергия, которая покидает газообразное рабочее вещество во время процесса $ 2 \ to 3 $ за счет теплопередачи, сохраняется в регенераторе, и это тепло затем возвращается обратно рабочему веществу во время процесса $ 4 \ to 1 $. Во время этих этапов цикла тепло не передается между двигателем и окружающей средой.

Отсюда следует, что единственное тепло, передаваемое двигателю в целом, передается за 1 \ 2 $.Это квалифицирует устройство как тепловую машину (см. Старый ответ ниже), и эффективность двигателя затем вычисляется как отношение полезной выходной мощности, деленной на тепловыделение в процессе $ 1 \ to 2 $. Это дает эффективность Карно, как и должно быть.

В моем первоначальном ответе утверждалось, что нарисованный цикл не представляет работу теплового двигателя, работающего между двумя температурами, но я пренебрегал регенератором, и я считаю, что это то, что вы неявно сделали в вычислении, которое вы также первоначально выполнили, и это дали неверный КПД.

Оригинальный, неполный ответ.

Нет противоречия. Цикл Стирлинга, который вы нарисовали выше, является обратимым, но не работает между двумя резервуарами при фиксированных температурах $ T_1 $ и $ T_2 $. Изоволюметрические части цикла работают при постоянно меняющихся температурах (подумайте о законе идеального газа).

Старое приложение. Обратите внимание, что в термодинамике тепловой двигатель работает (или работает) между (двумя резервуарами при) температурах $ T_1 $ и $ T_2 $ при условии, что все тепло, которое он поглощает или отдает, происходит при одной из этих двух температур. .

Чтобы подтвердить это определение (которое, по сути, подразумевается в большинстве обсуждений тепловых двигателей, которые я видел), вот цитата из текста Ферми по термодинамике:

В предыдущем разделе мы описали обратимый циклический двигатель, двигатель Карно, который выполняет объем работы $ L $ в течение каждого своего цикла, поглощая некоторое количество тепла $ Q_2 $ от источника при температуре $ t_2 $ и отдавая количество тепла $ Q_1 $ к источнику при более низкой температуре $ t_1 $.Скажем, такой двигатель работает между температурами $ t_1 $ и $ t_2 $.

Энергии | Бесплатный полнотекстовый | Снижение КПД двигателей Стирлинга в результате синусоидального движения Двигатели

Стирлинга имеют высокий теоретический КПД и могут питаться от внешних источников тепла; следовательно, у двигателей Стирлинга есть высокий потенциал для производства возобновляемой энергии из нескольких устойчивых источников, таких как концентрированная солнечная тепловая энергия и биомасса. Теоретически двигатели Стирлинга могут преобразовывать тепло в механическую энергию с коэффициентом полезного действия Карно [1,2], который является максимально достижимым коэффициентом полезного действия для тепловых двигателей, но на практике двигатели Стирлинга не смогли достичь таких высоких коэффициентов полезного действия, и снижение было более значительным, чем могло бы быть. предсказывается только типичными механическими потерями [3].Практическая эффективность зависит от многих факторов, включая условия эксплуатации, эффективность регенератора [4], потери на трение [5,6], мертвый объем [7] и способность двигателя следовать теоретическому циклу Стирлинга. В этом исследовании мы сосредотачиваемся на способности двигателя следовать теоретическому циклу Стирлинга, потому что предыдущие факторы приводят к потерям, которые не учитывают существенное снижение эффективности, наблюдаемое в коммерческих двигателях Стирлинга. В идеале цикл Стирлинга состоит из двух изотермических процессов и двух изохорных процессов регенерации.Для достижения эффективности Карно критически важно, чтобы практические конфигурации двигателя точно воспроизводили эти процессы. Типичные коммерческие конфигурации двигателей Стирлинга используют поршни, соединенные с коленчатым валом, или свободный поршень, оба из которых приводят к непрерывному синусоидальному движению с разностью фаз между поршнями [8,9,10]. Это устройство отличается от теоретического цикла Стирлинга, поскольку поршни не задерживаются и не изолируют рабочую жидкость в горячем или холодном цилиндре (ах) во время процессов расширения и сжатия соответственно.Это исследование отвечает на вопрос о том, какое влияние это отклонение оказывает на эффективность двигателей Стирлинга, и дает количественную оценку этого эффекта. Было проведено несколько исследований для анализа выходной мощности двигателя Стирлинга с синусоидальным движением и разности фаз между поршнями. Раннее исследование Шмидта [11] обеспечило синусоидальное изменение рабочего объема в поршневых двигателях, с основными допущениями об изотермическом сжатии и расширении, а также идеальной регенерации [12].Финкельштейн [13] расширил работу Шмидта, оптимизируя параметры мощности для изменения фазовых углов и соотношений объемов, а также добавив анализы энтропии и теплопередачи. Уокер [14] и Киркли [15] также расширили работу Шмидта, чтобы протестировать различные входные переменные, такие как соотношение температур, фазовый угол, отношение рабочего объема и мертвый объем, чтобы максимизировать набор безразмерных параметров мощности. Уриэли и Берховиц [16] расширили вычисления Шмидта, добавив в изотермический анализ концепцию пространств отводящего и акцепторного тепла.Сенфт [17] использовал анализ Уокера [14] и Киркли [15] для двигателей гамма-типа. Совсем недавно Ченг и Ю [18] разработали численную модель для анализа цикла Стирлинга бета-типа, описывая функциональные зависимости температуры источника тепла, зазора вытеснителя и ромбического смещения ведущей шестерни как функции от объема работы. Чинар [19] исследовал эффекты изменения фазового угла в альфа-двигателе Стирлинга с помощью модели с ограниченной адиабатической теплопередачей. Тлили и др. [20] определили оптимальные рабочие параметры двигателя Стирлинга с перепадом средней температуры.Формоза и Деспесс [21] добавили соображения потока к изотермической модели. Ченг и Янг [22] разработали теоретическую численную модель для оптимизации характеристик двигателя Стирлинга, включая соотношение рабочего объема между горячей и холодной сторонами двигателя, фазовый угол, коэффициент мертвого объема и соотношение температур. Alfarawi et al. [23] представили разработку и проверку модели CFD на двигателе Стирлинга гамма-типа, чтобы продемонстрировать влияние различных фазовых углов на выходную мощность. Бриггс [9] показал, что удельную мощность можно увеличить, изменив синусоидальную волну для длительного пребывания в схеме Стирлинга со свободным поршнем, и обнаружил, что эффективность снижается.Все эти работы разработали свой анализ с учетом синусоидального движения поршней, которое отклоняется от идеального цикла Стирлинга; однако не было исследований, которые вычисляли и анализировали бы отклонение в эффективности между идеальным циклом Стирлинга и циклом, возникающим в результате синусоидального движения.

В этой статье мы разработали дискретную модель, чтобы понять и количественно оценить влияние синусоидального движения на эффективность двигателя Стирлинга. В модели использовалось изотермическое предположение, а рабочим телом был воздух, который рассматривался как идеальный газ.Фазовый угол также варьировался, чтобы определить влияние фазового угла на эффективность двигателей Стирлинга. Соответствующие диаграммы P-v и T-s были созданы, чтобы проиллюстрировать отклонение в эффективности в результате синусоидального движения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.