Двигатель стирлинга применение: Двигатели Стирлинга — технологический прорыв в автономной энергетике XXI века

Как работает двигатель Стирлинга: кпд, применение, перспективы

Поиск перспективных энергосберегающих технологий, в частности использующих альтернативные и возобновляемые виды топлива – одно из основных направлений научно-технического прогресса XXI века. Однако в поисках нового не стоит забывать прежние выдающиеся достижения инженерной мысли, обретающие в нашу цифровую эпоху второе дыхание. Яркое тому подтверждение двигатель Стирлинга.

Дитя эпохи пара

Начало XIX века – расцвет эпохи пара. Благодаря паровым машинам стали бурно развиваться промышленность и транспорт. Они оказались на редкость надежными, устойчивыми к колебаниям нагрузки, долговечными, не требующими больших затрат при эксплуатации, простыми в обслуживании и практически «всеядными» в отношении к топливу.

Роберт Стирлинг и его двигатель

Были очевидны и недостатки – низкий КПД (не более 10%) и наличие громоздкого кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

Нередко паровые котлы взрывались, не выдерживая чрезмерного давления пара, что приводило к разрушениям и человеческим жертвам.

Паровоз на базе двигателя Стирлинга

Все изменилось 27 сентября 1816 года, когда шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал уникальное изобретение под названием «двигатель горячего воздуха», безопасную альтернативу своему паровому предшественнику. Позже его назвали в честь создателя – двигатель Стирлинга (ДС).

Как работает двигатель Стирлинга

Первое, что бросается в глаза – простота конструкции. В состав двигателя Стирлинга (β-типа) входят два поршня – вытеснительный и рабочий, маховик, рубашка (ребра) охлаждения и теплообменный цилиндр. Чтобы ДС работал, необходим источник тепла.

Рабочий цикл протекает в четыре этапа

Первый этап. Происходит нагрев воздуха (или другого газа) в основании цилиндра. Разогретый внутри его воздух создает давление, которое заставляет рабочий поршень двигаться вверх.

Вытеснительный поршень имеет одну важную особенность – неплотное прилегание к стенкам цилиндра.

Двигатель Стирлинга типа Бета

Второй этап. Приведенный в действие маховик (благодаря ему работа обоих поршней строго синхронизирована) с помощью толкающей штанги «отправляет» вытеснительный поршень вниз, который в свою очередь выдавливает разогретый воздух вверх в охлаждающую камеру.

Третий этап. В камере воздух остывает и сжимается, давая возможность рабочему поршню опуститься вниз.

Четвертый этап. Вытеснительный поршень движется вверх, одновременно вытесняя охлажденный воздух в основание цилиндра, после чего цикл возобновляется.

Плюсы и минусы

Первые промышленные ДС использовались в качестве водяных насосов и машин, обеспечивающих литейное производство. К началу ХХ века на предприятиях Европы работало уже более 250 тыс. вентиляторов, приводимых в действие ДС. Их КПД достигал 18%, что почти на 10 % выше КПД паровых двигателей.

И это далеко не единственное достоинство двигателей Стирлинга. Как и все двигатели наружного сгорания, они «всеядны». В их топливном «меню» буквально «все, что горит» – от угля, дров, мазута, газа до солнечной, геотермальной энергии и ядерного топлива.

Конструкция ДС чрезвычайно проста. Ей не требуются дополнительных систем и не нужен стартер, поскольку двигатель запускается самостоятельно. Как следствие этого – значительный рабочий ресурс, измеряемый иногда сотнями тысяч часов непрерывной работы.

Двигатели Стирлинга очень экономичны и малошумны, что в последствии было использовано при создании двигателей для подводных лодок.

Из недостатков, пожалуй, главный – материалоемкость. К тому же, чтобы двигатели Стирлинга могли на равных конкурировать с ДВС, им приходиться «добавить» высокое (более 100 атмосфер – прим. ред. Techcult.ru) давление, а также водород или гелий в качестве рабочего тела.

КПД ДС значительно снижается из-за того, что тепло рабочее тело «получает» через стенки теплообменника. Поскольку самому теплообменнику приходится работать в экстремальных условиях высокого давления и температуры, для его изготовления используются весьма дорогие жаропрочные материалы.

Определенные сложности возникают при регулировке оборотов. В частности, чтобы регулировать частоту вращения коленчатого вала, потребуется изменять показатели температуры.

Виды двигателей

Семейство двигателей Стирлинга представлено четырьмя видами – Альфа, Бета (принцип его работы описан выше), Гамма и роторным. У каждого из них свои конструкционные особенности.

Альфа-двигатель Стирлинга

У Альфа два цилиндра, один из которых оснащен охлаждающим радиатором, а в нижней его части осуществляется нагрев. В рабочих камерах обоих цилиндров установлены поршни. Усилия от поршневой группы передаются на коленчатый вал, соединенный шарниром с поршнем и вытеснителем.

Гамма-двигатель Стирлинга

Конструкция Гамма-двигателя отличается наличием двух цилиндров: один из них с радиатором охлаждения, поршнем и вытеснителем подвергается нагреву и охлаждению, в то время как второй постоянно «прохлаждается».

У роторного ДС отсутствует КШМ, что уменьшает габариты силового агрегата. Благодаря такой конструкции значительно улучшается герметичность рабочей камеры.

Однако в начале ХХ века у ДС появились мощные конкуренты – двигатели внутреннего сгорания, надолго отправившие в «запас» своих предшественников за счет более высокого КПД.

Современные области применения двигателей Стирлинга

В наши дни ДС переживают второе рождение во много благодаря их уникальным экологическим характеристикам. Напомним, концентрация вредных веществ в продуктах сгорания ДС на несколько порядков ниже, чем у поршневых и газотурбинных двигателей и, что не менее важно, минимальные шумы у них не превышают 60-65 дБ. Они незаменимы там, где необходимо преобразовывать тепловую энергию в механическую.

Одно из перспективных направлений современной энергетики – децентрализация энергоснабжения, которое реализуется путем строительства когенерационных установок, производящих из первичного источника топлива два или несколько видов полезной энергии.

Когенерационная установка

Использование ДС в когенерационных установках позволяет одновременно обеспечивать электроэнергией и теплом небольшие районы. КПД некоторых современных стирлинг-генераторов доходит до 95 %.

Тепловые насосы на базе ДС работают подобно кондиционерам. Правда, они используются не для охлаждения помещений или воды, а для нагрева.

Тепловой насос на базе ТС

ДС могут работать, как холодильные установки. Некоторые компании-производители холодильников уже готовы устанавливать на свои изделия ДС, что сделает их более экономичными, а рабочим телом станет обычный воздух.

Подводная лодка класса Никкен

Малошумность ДС еще в 60-е годы привлекла внимание разработчиков подводных лодок в ряде стран. В результате в 1988 году шведская субмарина класса «Никкен» была оснащена воздухонезависимыми ДС, с которыми она проплавала свыше 10000 часов.

Примеру Швеции последовала Япония, где новейшие подводные лодки класса «Сорю» были оснащены четырьмя ДС VA-275R, каждая мощностью по 8000 л. с.

Солнечная электростанция с ДС

ДС найдет свое применение и в солнечной энергетике, где его устанавливают в фокус параболического зеркала, обеспечивающего постоянную «подсветку» зоны нагрева.

Содержание

• История
• Устройство
• Плюсы и минусы
• Типы
• Перспективы

Применение двигателя стирлинга

страница 1

Похожие работы Название работы Кол-во страниц Размер Двигатели Бём-Стирлинга с оптимальной мощностью 1 24. 13kb. На примере математической модели двигателя Стирлинга показана возможность… 1 74.01kb. Поведение самолета при отказе одного или двух двигателей, расположенных… 1 164.43kb. Лтдвз в либереке 1 153.9kb. Силовая установка 1 196.55kb. Разрешение записи 1 22.75kb. Организационно-экономическая часть. 1 Обоснование актуальности разработки… 1 190. 57kb. 2. Выбор двигателя. Кинематический расчет привода Определение номинальной… 1 56.99kb. Как правильно выбрать свечу для вашего двигателя rb concept 1 54.15kb. Приложение Николай Иванович Кибальчич (1853-1881) 1 14.51kb. Порядок определения момента выпуска и объема двигателя авто-, мототранспортного… 1 20.29kb. Методические указания по самостоятельной работе Квалификация (степень) 1 119.68kb. Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Применение двигателя стирлинга — страница №1/1 РЕФЕРАТ НА ТЕМУ: «Применение двигателя стирлинга» ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Ивлев В.И. РАБОТА ВЫПОЛНЕНА: Аксяитов Артур Шамилевич лицей №43, 11 «А» Саранск 2012 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. Универсальные источники электроэнергии Двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию любой теплоты. На них возлагают надежды по созданию солнечных электроустановок. Их применяют как автономные генераторы для туристов. Некоторые фирмы выпускают генераторы, которые работают от конфорки газовой печи. NASA рассматривает варианты генераторов на основе стирлинга, работающие от ядерных и радиоизотопных источников тепла. Специально разработаный генератор стирлинга с радиоизотопным источником энергии (Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG)), будет использован в планируемой NASA космической экспедиции — Titan Saturn System Mission. Насосы Эффективность систем отопления или охлаждения возрастает, если в контуре установлен насос принудительной подачи теплоносителя. Установка электрического насоса снижает живучесть системы, а в быту неприятно тем, что электросчётчик «накручивает» ощутимую сумму. Насос, использующий принцип двигателя Стирлинга, решает эту проблему. «Стирлинг» для перекачки жидкостей может быть гораздо проще привычной схемы «двигатель-насос». В двигателе Стирлинга вместо рабочего поршня может использоваться перекачиваемая жидкость, которая одновременно служит для охлаждения рабочего тела. Насос на основе двигателя стирлинга может служить для накачки воды в ирригационные каналы посредством солнечного тепла, для подачи горячей воды от солнечного коллектора в дом (в системах отопления теплоаккумулятор стараются установить как можно ниже, чтобы вода шла в радиаторы самотёком). Машины СТИРЛИНГА — новое перспективное направление в развитии отечественного машиностроения До недавнего времени системы автономного энергоснабжения, использовавшие традиционные тепломеханические агрегаты, удовлетворяли существующему уровню развития общества и техники. Однако обострение общенациональных, глобальных проблем, требующих срочного решения (истощение природных ресурсов; надвигающийся энергетический кризис; загрязнение окружающей среды; уменьшение озонового слоя Земли; усиление «парникового эффекта» и т.д) привело к необходимости принятия в конце XX века ряда крупных международных и российских законодательных актов в области экологии, природопользования и энергосбережения. Основные требования этих законов направлены на сокращение выбросов СО2, прекращение производства озоноразрушающих веществ и фреона R-12, как холодильного агента для парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ), ресурсо — и энергосбережение, перевод автотранспорта на экологически чистые моторные топлива и т.д. Огромные масштабы, удорожание производства топливно — энергетических ресурсов и растущее загрязнение окружающей среды выдвинули на первый план задачу поиска новых технологий энергопреобразования, разработки новой техники на основе высокоэффективных термодинамических циклов, использование новых видов топлива, новых рабочих тел и т.д., то есть создание таких экологически чистых энергосистем, которые бы обеспечивали удовлетворение нужд промышленности и населения при минимальных затратах материальных ресурсов. Наряду с другими подходами, в решении стоящих перед Российской Федерацией экологических и энергетических проблем, наиболее перспективным путем является разработка и широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга (машины Стирлинга). В настоящее время разработано большое количество компоновочных схем и конструктивного исполнения отдельных узлов машин Стирлинга. Так, только одних приводов известно более 18 типов. Однако наиболее широкое распространение получили машины Стирлинга, выполненные по a , b , g — схемам. Конструктивно, машины Стирлинга представляют собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: теплообменника нагрузки (нагревателя или конденсатора), регенератора и холодильника. На последних европейских и мировых форумах по современному состоянию и перспективам развития машин, работающих по циклу Стирлинга, отмечалось, что технология изготовления машин Стирлинга за рубежом полностью освоена. Решены проблемы уплотнений двигающихся деталей, выбора материалов, пайки теплообменников и т.д. Ввиду этого, наряду с традиционным применением двигателей и криогенных машин Стирлинга для военных целей (переконденсация низкокипящих жидкостей, охлаждение детекторов инфракрасного излучения, анаэробных систем автономного энергоснабжения и т. д.), перспективными направлениями считаются применение холодильных машин Стирлинга на уровне умеренного холода для хранения пищевых продуктов и систем кондиционирования воздуха, использование двигателей Стирлинга в когенерационных установках, тепловых насосах в системах децентрализованного теплоснабжени и т.д. Подтверждением возрастающего интереса к машинам Стирлинга служит тот факт, что начиная с 1982 года каждые два года проводится международная конференция по двигателям Стирлинга, а в г. Оснабрюк (Германия) раз в два года проходит Европейский форум по двигателям Стирлинга. Кроме того ежегодно в США проходит конференция, посвященная преобразованию различных видов энергии, на которой работает секция по двигателям Стирлинга. В Великобритании создано общество по изучению двигателей Стирлинга, членами которого являются свыше 300 ученых всего мира. Обществом ежеквартально, начиная с 1996 года, издается журнал “ UK Stirling News ”. В США ежеквартально, начиная с 1978 года, издается журнал “ Stirling Machine World ”. Ежегодно издается одна-две книги, посвященные машинам Стирлинга. Холодильная техника Практически все холодильники используют те же тепловые насосы. Применительно к системам охлаждения их судьба оказалась более счастливой. Ряд производителей бытовых холодильников собирается установить на свои модели «стирлинги». Они будут обладать большей экономичностью, а в качестве рабочего тела будут использовать обычный воздух. Подводные лодки Преимущества «стирлинга» привели к тому, что ещё в первой половине 1960-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа «Шёурмен» производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шёурмены», ни последовавшие за ними «Наккены» и «Вестеръётланды» указанные силовые установки так и не получили. И только в 1988 году головная субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10 000 часов. Другими словами, именно шведы открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных двигательных установок. И если «Наккен» — первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд» стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой непрерывно до 20 суток. В настоящее время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга, а шведские кораблестроители уже хорошо отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок, путём врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка – доля бедного населения. Аккумуляторы энергии 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. Солнечная версия двигателя «Стирлинг 161», Германской фирмы SOLO системы (EURODISH) Солнечная версия двигателя Стирлинг 161 используется между тем несколькими производителями в различных исполнениях. На испанском солнечном плато de Алмерию с 1997 работают 6 систем. В рамках поддержанного ЕС проекта в сотрудничестве с Schlaich Bergermann und Partner und MERO Raumsysteme GmbH, кроме всего прочего, теперь строится новое поколение системы Dish Стирлинг 10 кВт. Целью проекта является сокращение стоимостей капиталовложений до 5.000 евро / киловатт. При этом снова вступает в действие Стирлинг 161 при модификациях в Receiver, Cavity и корпусе. Характеристики нового Dish/Стирлинга системы (EURODISH): номинальная производительность СОЛО «Стирлинг 161» 10,0кВт брутто, диаметр солнечного зеркала 8,5м. В Alanya, центр исследования солнечной энергии Турции создал Kombassan холдинг — компанию, которая строит на подготовительных работах Cummins. Работы очень интенсивны и показывают хорошие результаты. 1. Микро ТЭЦ на основе двигателя Стирлинга Подсоединив к двигателю Стирлинга электрогенератор, получаем комбинированную установку для получения и электроэнергии и тепла-микро-ТЭЦ. Вспомните, что КПД двигателя внутреннего сгорания — порядка 30%, остальная энергия сгоревшего топлива в буквальном смысле улетает в трубу. А в микро-ТЭЦ она не теряется зря: и электроэнергия производится и вода в водопроводе нагревается. Суммарный КПД такого комбинированного генератора, в зависимости от нагрузки, составляет 83-90%, то есть такая доля энергии, содержащейся в топливе, превращается в электричество и тепло для дома. Кроме того, вследствие особенностей термодинамического цикла Стирлинга, значительная часть полученной тепловой энергии это побочный результат получения электроэнергии. Очевидно, что создание предприятия по производству микро-ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга является актуальным, как для нашего региона, так и для российского рынка в целом. Области применения автономных установок на базе двигателя Стирлинга – от загородных домов и коттеджей до крупных промышленных объектов и районов крайнего Севера. На данный момент заканчиваются работы по разработке Микро – ТЭЦ мощностью 3-7 кВт. Разработка этого проекта ведется на базе Агентства инноваций «Голубой Океан» . На данный момент разработана инновационная компоновочная схема двигателя Стирлинга (защищена патентом). Организация производства планируется на основе промышленной кооперации с предприятиями г. Новосибирска. Планируется выпуск установок 2-х типов: 1) Установка для загородных домов и дач мощностью 3-7 кВт. Начало производства февраль – март 2012год. 2) Установки мощностью 10 – 100 кВт для промышленных объектов, больничных и храмовых комплексов, поселков нефтяников, геологов отдаленных поселков и хуторов в сельской местности. Этот вариант особенно интересен для промышленных предприятий имеющих проблемы с использованием излишек тепловой энергии, которые образуются в технологическом процессе. Используя часть тепловой энергии на работу двигателя Стирлинга, предприятие сможет обеспечить себя собственной электроэнергией. Запуск в производство этого варианта – 2013 год. Отметим, что для снижения себестоимости в установке будут использованы готовые детали и блоки. По предварительным расчетам, потребность в автономных установках в России составит сотни тысяч штук в год.

Двигатель Стирлинга — история, функции и применение

Эти высокоэффективные, экологически безопасные и бесшумные двигатели еще не полностью раскрыли свой потенциал, и вот почему.

Michael Frey/Wikimedia

Двигатель Стирлинга представляет собой поршневую внешнюю тепловую машину с замкнутым циклом, которая преобразует теплоту в полезную механическую работу. Первоначально он был изобретен для конкуренции с паровым двигателем, но из-за его различных ограничений даже спустя много лет двигатель Стирлинга не получил широкого распространения и используется только в нескольких специализированных приложениях.

Газ внутри двигателя Стирлинга никогда не покидает двигатель. Они снова и снова нагреваются и охлаждаются, поэтому никогда не выбрасываются в виде взрывоопасного выхлопа. Этот регенеративный двигатель может многократно использовать один и тот же газ для выработки энергии; поэтому двигатель Стирлинга может оказаться намного более эффективным, чем двигатель внутреннего сгорания, используемый в современных автомобилях. Поскольку взрывов не происходит, двигатели Стирлинга работают очень тихо. Также отсутствует горение, поскольку в цикле Стирлинга используется внешний источник тепла, которым может быть солнечная энергия или даже тепло, выделяемое разлагающимися растениями.

История двигателя Стирлинга

Источник: Zephyris/Wikimedia Commons

В 1816 году Роберт Стирлинг подал патент на двигатель Стирлинга. применения к движущимся машинам на основе совершенно нового принципа.

В патентной заявке Стирлинга объясняется конструкция и использование регенератора (который он назвал «экономайзером»). Патент также включал первое в истории описание двигателя горячего воздуха с замкнутым циклом. Более того, Стирлинг описал, как его конструкция двигателя может быть использована для таких приложений, как плавка чугуна и стекловаренные печи.

Роберт Стирлинг Источник: Wikimedia Commons

За выдающееся изобретение Роберта Стирлинга называют отцом двигателя Стирлинга.

В 1827 году Роберт Стирлинг и его брат Джеймс Стирлинг подали второй патент на двигатель Стирлинга. В этом патенте предлагалась перевернутая конструкция из исходного патента 1816 года, которая включала насос сжатого воздуха, который мог увеличивать внутреннее давление воздуха для повышения эффективности.

Третий патент, поданный в 1840 году, привел к изобретению знаменитого двигателя Данди, который позже использовался Dundee Foundry Company. В презентации третьего патента, сделанной в 1845 году в Институте инженеров-строителей, Джеймс Стирлинг подчеркнул, что технология двигателя Стирлинга не только направлена ​​​​на экономию топлива, но также может служить более безопасной альтернативой паровому двигателю. Он напомнил присутствующим инженерам, что котлы в паровых машинах часто взрываются и вызывают многочисленные смерти и травмы, и что этого можно было бы избежать, используя вместо них двигатели Стирлинга.

Самый популярный

Однако заявления Джеймса Стирлинга не могли компенсировать частые отказы двигателя при эксплуатации при более высоких температурах. Даже Dundee Foundry Company позже заменила свои двигатели Стирлинга паровыми двигателями после того, как столкнулась с неоднократными отказами цилиндров в годы, последовавшие за его установкой.

Двигатель Стирлинга Филипс. Источник: Geni/Wikimedia Commons

Хотя двигатели Стирлинга производились до 1922 года и использовались для перекачки воды на фермах и выработки электроэнергии, попытки разработать двигатель Стирлинга для широкого коммерческого использования оказались в значительной степени безуспешными.

Концепция двигателя Стирлинга была почти забыта на долгие годы. Однако компания Philips, в частности, проявила большой интерес к конструкции двигателя Стирлинга и с 1938 по 1950-е годы получила лицензии на многочисленные патенты, основанные на одной и той же технологии.

К 1952 году компания Philips разработала электрогенератор с двигателем Стирлинга в качестве привода. Хотя это так и не было запущено в массовое производство, исследовательская работа, проведенная Philips, позже привела к разработке криогенных систем охлаждения, в которых используется концепция обратного двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга?

Цикл Стирлинга. Источник: Hiroka Nakahara/UBC

Двигатель Стирлинга производит механическую энергию из тепловой энергии за счет движения двух или более поршней внутри цилиндров. В цилиндре находится определенное количество газа, и изменение давления газа, вызванное циклом Стирлинга, позволяет двигателю Стирлинга выполнять работу.

В двухцилиндровом двигателе Стирлинга один цилиндр нагревается от внешнего источника тепла, а другой охлаждается от внешнего источника охлаждения. Газовые камеры двух цилиндров соединены между собой, а поршни связаны друг с другом механически.

Цикл Стирлинга состоит из следующих этапов:

    1. Изотермическое расширение

Энергия внешнего источника тепла увеличивает внутреннюю температуру, что еще больше увеличивает давление газа внутри цилиндра. Повышение давления газа заставляет поршень двигаться вниз, и совершается работа.

    2. Изохорный отвод тепла

Поршень выталкивает нагретый газ во второй цилиндр (или регенератор), где газ охлаждается, понижая его давление, чтобы его можно было легко сжимать дальше. Тепло, поглощенное регенератором на этом этапе, будет использовано на последнем этапе цикла.

    3. Изотермическое сжатие

Газ сжимается в пространстве, в котором поддерживается неизменно низкая температура, что позволяет газу легко подвергаться изотермическому сжатию. При сжатии газ отдает тепло охладителю.

    4. Изохорный подвод тепла

Второй поршень движется вверх, нагнетая сжатый газ в нагретый цилиндр, где он снова быстро нагревается. Давление в цилиндре нарастает, подвергаясь изотермическому расширению, заставляя двигаться поршень, и цикл Стирлинга продолжается.

Источник: Масато Китадзаки, Кейичиро Юдзаки, Теруюки Акадзава/Yanmar

Наличие регенеративного теплообменника (регенератора) в двигателе Стирлинга делает его намного более эффективным, чем другие предыдущие двигатели с горячим воздухом, которые не имели этого компонента. Эффективность двигателя Стирлинга также прямо пропорциональна разнице температур между источником тепла (первая ступень) и источником охлаждения (вторая ступень).

Почему двигатель Стирлинга не используется в автомобилях?

Источник: Scott Umstattd/Unsplash

Это правда, что двигатель Стирлинга может избавить вас от необходимости время от времени заправлять бак бензином, но существуют некоторые серьезные ограничения, связанные с этой технологией двигателя, которые запрещают производителям автомобилей используя его.

Двигатели Стирлинга не имеют взрывного выхлопа, как в традиционных двигателях внутреннего сгорания, поэтому они очень тихие и не создают шума. Однако для работы двигателя необходим внешний источник тепла, а время, необходимое теплу для перемещения от источника к внутреннему цилиндру, делает двигатель Стирлинга менее отзывчивым, чем бензиновые двигатели. Это также затрудняет быстрое изменение выходной мощности двигателя.

Любой возобновляемый источник тепловой энергии (например, солнечная, геотермальная или ядерная энергия) может использоваться для работы двигателя Стирлинга, что потенциально делает его экологически чистой альтернативой. Кроме того, он не требует особого обслуживания и способен обеспечить более высокую эффективность, чем любой современный двигатель внутреннего сгорания. Несмотря на эти достоинства, более высокие первоначальные инвестиционные затраты и низкая удельная мощность не позволяют автомобильным компаниям использовать технологию двигателя Стирлинга в своих автомобилях, потому что для производства даже небольшого объема работы требуются очень большие и тяжелые двигатели Стирлинга, которые не все возможно реализовать в легковых автомобилях.

Источник: Сиэтлский университет

Тем не менее, модифицированные автомобили с двигателем Стирлинга были разработаны НАСА в конце 1970-х годов в рамках их автомобильной программы двигателей Стирлинга. Испытательные проекты в рамках этой программы получили названия MOD I и MOD II, а двигатели для этих испытательных проектов были разработаны Philips и American Motors Corporation (AMC).

MOD II продемонстрировал исключительные результаты в виде сверхэффективного автомобильного двигателя с тепловым КПД 38,5%. В рамках программы двигателей Стирлинга НАСА продемонстрировало возможность создания высокоэффективных автомобилей на основе двигателей Стирлинга, но вскоре финансирование было сокращено, и автопроизводители потеряли интерес к программе. В результате проекты так и не смогли дойти до стадии коммерческого производства.

Применение двигателя Стирлинга

Источник: Recognize Productions/pexels

Двигатель Стирлинга может обеспечивать практически безграничную энергию в течение длительного периода времени с минимальными вредными выбросами и усилиями. Следовательно, многие крупномасштабные приложения, требующие постоянной мощности, могут использовать технологию двигателя Стирлинга для удовлетворения своих потребностей в энергии.

• Атомная энергетика

Регенеративные двигатели замкнутого цикла представляются многообещающей альтернативой паровым турбинам, используемым в ядерных реакторах. В таком случае жидкий натрий можно использовать в качестве теплоносителя, а вода может вообще не потребоваться. Двигатели Стирлинга также могут увеличить мощность ядерного реактора и уменьшить количество образующихся радиоактивных отходов.

В мае 2020 года НАСА сообщило, что ядерные реакторы, оснащенные двигателями Стирлинга, могут использоваться для удовлетворения энергетических потребностей человеческих колоний в космосе.

• Подводные лодки

Подводные лодки с двигателями Стирлинга могут дольше оставаться под водой и работают тише обычных подводных лодок. Kocksums Shipyard, шведский производитель подводных лодок, впервые использовал двигатели Стирлинга на своих подводных лодках класса Gotland, которые сейчас используются шведским флотом.

• Солнечная энергия

При размещении в центре параболического зеркала двигатели Стирлинга оказались более эффективными в преобразовании солнечной энергии в электрическую по сравнению с фотогальваническими элементами.

Согласно исследованию 2016 года, в котором основное внимание уделялось роли двигателей Стирлинга в производстве солнечной тепловой электроэнергии, технология двигателей с горячим воздухом может сыграть ключевую роль в минимизации углеродного следа человека за счет выработки возобновляемой электроэнергии из солнечного излучения.

• Система комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ)

Отработанное тепло, производимое системами комбинированного производства тепла и электроэнергии, также известными как когенерационные системы, может быть использовано в сельскохозяйственных и промышленных целях с помощью технологии двигателей Стирлинга.

Британская компания Inspirit Energy в 2016 году запустила зарядное устройство Inspirit, газовую когенерационную установку. Эта установка на базе двигателя Стирлинга могла вырабатывать 3 кВт электроэнергии и 15 кВт тепловой энергии.

• Двигатель Стирлинга для космических полетов

В марте 2020 года преобразователь энергии Стирлинга, расположенный в исследовательской лаборатории Стирлинга в Исследовательском центре Гленна НАСА, отработал 14 лет бесперебойной и необслуживаемой работы. Эта новаторская технология является частью динамических радиоизотопных энергетических систем НАСА (RPS), которые, как надеется агентство, могут удовлетворить потребности в избыточной энергии его длительных космических миссий в будущем.

Двигатель Стирлинга — это технология, которой уже 200 лет, но она еще не использовала свой максимальный потенциал. Существует большая вероятность того, что текущие эксперименты и будущие версии двигателя Стирлинга могут привести нас к будущему с лучшими, устойчивыми и эффективными энергетическими решениями.

Для вас

наука

Новое исследование показывает прямое взаимодействие между частицами темной материи и частицами, составляющими обычную материю, что противоречит современной теории Вселенной.

Пол Ратнер | 27.07.2022

инновацииМожет ли ИИ спасти лабораторных крыс и морских свинок? Как новые технологии могут решить большую этическую проблему

Баба Тамим| 14.10.2022

diy75+ Основные сочетания клавиш и команды AutoCAD для быстрого инженера

Кристофер Макфадден| 18.10.2022

Еще новости

инновации
Россия заявляет, что ее «самолет судного дня» теперь может связываться со своими глубоководными атомными подводными лодками

John Loeffler| 25. 11.2022

наука
Изучение эмоций, мозга и свободы воли с доктором Лизой Фельдман Барретт

Эрик Джеймс Бейер| 09.08.2022

здоровье
Благодаря этой новой химиоиммунотерапии дни рецидивов рака прошли

Rupendra Brahambhatt| 24.11.2022

Применение двигателя Стирлинга: использование и примеры

Применение двигателя Стирлинга можно разделить на три основные категории:

• механический привод
• нагрев и охлаждение
• Системы выработки электроэнергии

Двигатель Стирлинга представляет собой тепловую машину, работающую от циклическое сжатие и расширение воздуха или другого газа, рабочего тела. Во время цикла Стирлинга происходит чистое преобразование тепла в механическую работу. Тепловая машина с циклом Стирлинга также будет работать в обратном направлении, используя входную механическую энергию для передачи тепла в обратном направлении (например, тепловой насос или холодильник).

Производство электроэнергии с использованием двигателя Стирлинга

Ядерная энергетика

Существует потенциал использования ядерных двигателей Стирлинга на электростанциях. Замена паровых турбин атомной электростанции двигателями Стирлинга может упростить станцию, повысить эффективность и уменьшить количество радиоактивных побочных продуктов.

В некоторых конструкциях реакторов-размножителей в качестве теплоносителя используется жидкий натрий. Если тепло должно использоваться в паровой установке, требуется теплообменник вода / натрий, что вызывает некоторую озабоченность, поскольку натрий бурно реагирует с водой. Двигатель Стирлинга устраняет необходимость в воде на любой стадии цикла. Это имело бы преимущества для ядерных установок в засушливых регионах.

Солнечная энергия

Двигатель Стирлинга находится в фокусе параболического зеркала. Двигатель Стирлинга может преобразовывать солнечную энергию в электричество с большей эффективностью, чем неконцентрированные фотоэлементы, и сравним с концентрированными фотоэлектрическими элементами.

Комбинированное производство тепла и электроэнергии

В системе комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) механическая или электрическая энергия вырабатывается обычным образом, однако отработанное тепло, выделяемое двигателем, используется для обеспечения вторичного нагрева. Это может быть практически все, что использует низкотемпературное тепло. Часто это уже существующее использование энергии, такое как отопление коммерческих помещений, нагрев воды в жилых помещениях или промышленный процесс.

Тепловые электростанции в энергосистеме используют топливо для производства электроэнергии. Однако существует большое количество отработанного тепла, которое часто остается неиспользованным. В других ситуациях высококачественное топливо сжигается при высокой температуре для низкотемпературного применения. Согласно второму закону термодинамики, тепловой двигатель может генерировать энергию за счет этой разницы температур.

В системе ТЭЦ высокотемпературное первичное тепло поступает в нагреватель двигателя Стирлинга, затем часть энергии преобразуется в механическую энергию в двигателе, а остальная часть направляется в охладитель, откуда выходит при низкой температуре. «Отработанное» тепло на самом деле исходит от основного охладителя двигателя и, возможно, от других источников, таких как выхлопные газы горелки, если они есть.

Энергия, вырабатываемая двигателем, может использоваться для запуска промышленного или сельскохозяйственного процесса, который, в свою очередь, приводит к образованию отходов биомассы, которые можно использовать в качестве бесплатного топлива для двигателя, снижая затраты на утилизацию отходов. Весь процесс может быть эффективным и прибыльным.

Двигатель Стирлинга для механической мощности и движения

Мы анализируем различные случаи, в которых двигатель Стирлинга используется для получения механической работы:

Автомобильные двигатели

Часто утверждается, что двигатель Стирлинга имеет слишком низкую удельную мощность. соотношение, слишком высокая стоимость и слишком долгое время запуска для автомобильных приложений. Они также имеют сложные и дорогие теплообменники. Охладитель Стирлинга должен отводить в два раза больше тепла, чем радиатор двигателя Отто или дизельного двигателя.

Нагреватель должен быть изготовлен из нержавеющей стали, экзотического сплава или керамики, чтобы выдерживать высокие температуры нагрева, необходимые для высокой удельной мощности, и содержать газообразный водород, часто используемый в автомобилях Стирлинга для максимизации мощности. Основными трудностями, связанными с использованием двигателя Стирлинга в автомобилестроении, являются время запуска, приемистость, время остановки и вес, не для всех из которых есть готовые решения.

Авиационные двигатели

Двигатели Стирлинга теоретически могут быть перспективными в качестве авиационных двигателей, если удастся достичь высокой удельной мощности и низкой стоимости. Они тише, меньше загрязняют окружающую среду, повышают эффективность с высотой из-за более низких температур окружающей среды, более надежны из-за меньшего количества деталей и отсутствия системы зажигания, производят гораздо меньше вибрации (планеры могут служить дольше) и используют более безопасное и менее взрывоопасное топливо.

Однако двигатель Стирлинга часто имеет низкую удельную мощность по сравнению с обычно используемым двигателем Отто и газовой турбиной, работающей по циклу Брайтона. Эта проблема была яблоком раздора в автомобилях, и эта характеристика еще более критична в авиационных двигателях.

Электромобили

Двигатели Стирлинга как часть гибридной системы электропривода позволяют избежать конструктивных проблем или недостатков негибридного автомобиля Стирлинга.

В ноябре 2007 года проект Precer в Швеции анонсировал прототип гибридного автомобиля, использующего твердое биотопливо и двигатель Стирлинга.

Судовые двигатели

Двигатель Стирлинга может подходить для подводных энергетических систем, где электрические или механические работы требуются на прерывистом или постоянном уровне. Компания General Motors проделала значительный объем работы над усовершенствованными двигателями с циклом Стирлинга, которые включают в себя накопление тепла для подводного применения. United Stirling в Мальмё, Швеция, разрабатывает экспериментальный четырехцилиндровый двигатель, использующий перекись водорода в качестве окислителя в подводных топливных системах.

Двигатели насосов

Двигатели Стирлинга могут приводить в действие насосы для перемещения таких жидкостей, как вода, воздух и газы. Например, выходная мощность ST-5 Stirling Technology Inc. составляет 5 лошадиных сил (3,7 кВт), которая может работать с генератором мощностью 3 кВт или центробежным водяным насосом.

Использование двигателя Стирлинга для обогрева и охлаждения

При подаче механической энергии двигатель Стирлинга может работать в обратном направлении как тепловой насос для обогрева или охлаждения. В конце 1930-х годов корпорация Philips из Нидерландов успешно использовала цикл Стирлинга в криогенных приложениях. Были проведены эксперименты с использованием энергии ветра, приводящей в действие тепловой насос цикла Стирлинга для отопления и кондиционирования воздуха в жилых помещениях.