Расчет двигателя стирлинга. Расчет и проектирование двигателя Стирлинга: основные аспекты и методы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как рассчитать мощность двигателя Стирлинга. Какие основные методы анализа используются при проектировании двигателя Стирлинга. Что такое метод Шмидта для расчета двигателя Стирлинга. Как выбрать оптимальные параметры двигателя Стирлинга.

Содержание

Основные подходы к расчету и проектированию двигателя Стирлинга

При расчете и проектировании двигателя Стирлинга используются два основных подхода:

Методы раздельного анализа — процессы в двигателе рассматриваются независимо друг от друга, а затем результаты суммируются
Методы комбинированного анализа — все взаимосвязанные процессы рассматриваются совместно

Методы раздельного анализа обычно включают:

Рассмотрение идеальных термодинамических характеристик (изотермическая или адиабатная модель)
Введение поправок на различные потери (аэродинамические, неидеальность регенерации и т.д.)

Методы комбинированного анализа позволяют получить более точное описание реальных процессов, но требуют решения системы дифференциальных уравнений в частных производных.

Метод Шмидта для расчета двигателя Стирлинга

Одним из наиболее распространенных методов расчета двигателя Стирлинга является метод Шмидта. Он основан на следующих допущениях:

Все процессы обратимы
Справедливо уравнение состояния идеального газа
Изменения объемов подчиняются синусоидальному закону
Достигнуты периодические условия

Метод Шмидта позволяет получить аналитические выражения для основных характеристик двигателя, таких как мощность и КПД.

Выбор оптимальных параметров двигателя Стирлинга

При проектировании двигателя Стирлинга важно определить оптимальные значения следующих параметров:

Рабочее тело (обычно гелий или воздух)
Рабочее давление
Температуры нагревателя и охладителя
Объемы рабочих полостей
Размеры и конструкция теплообменников
Параметры регенератора

Оптимизация проводится с использованием компьютерного моделирования для исследования тысяч комбинаций параметров. Целевыми функциями обычно являются максимальная мощность или КПД.

Особенности расчета свободнопоршневых двигателей Стирлинга

При расчете свободнопоршневых двигателей Стирлинга необходимо учитывать следующие особенности:

Отсутствие механической связи между поршнем и вытеснителем
Фазировка движения поршня и вытеснителя обеспечивается за счет сил давления газа и упругости пружин
Необходимость моделирования динамики системы «поршень-вытеснитель-газ»
Расчет параметров линейного электрогенератора

Для точного расчета свободнопоршневых двигателей требуются сложные компьютерные модели, учитывающие взаимосвязь термодинамических, газодинамических и электромеханических процессов.

Современные методы компьютерного моделирования двигателей Стирлинга

Современные методы расчета и проектирования двигателей Стирлинга включают:

Использование методов вычислительной гидрогазодинамики (CFD) для моделирования течения газа
Применение метода конечных элементов для расчета теплообмена и механических напряжений
Многопараметрическую оптимизацию с использованием генетических алгоритмов
Создание комплексных динамических моделей двигателя в специализированных программных пакетах

Эти методы позволяют с высокой точностью прогнозировать характеристики двигателя на стадии проектирования и оптимизировать его конструкцию.

Экспериментальные методы исследования двигателей Стирлинга

Важную роль в разработке двигателей Стирлинга играют экспериментальные исследования, которые включают:

Испытания макетных и опытных образцов двигателей
Визуализацию потоков газа с помощью скоростной съемки
Измерение локальных температур и давлений в различных точках двигателя

Определение механических и электрических потерь
Исследование процессов теплообмена в нагревателе, охладителе и регенераторе

Результаты экспериментов используются для верификации расчетных моделей и совершенствования конструкции двигателя.

Особенности проектирования микро-двигателей Стирлинга

При разработке микро-двигателей Стирлинга мощностью менее 100 Вт необходимо учитывать следующие факторы:

Возрастание относительной роли тепловых потерь и утечек газа
Сложность изготовления миниатюрных деталей с высокой точностью
Необходимость применения специальных материалов и покрытий
Особенности теплообмена и гидродинамики при малых числах Рейнольдса

Проектирование эффективных микро-двигателей Стирлинга требует применения методов микросистемной техники и нанотехнологий.

Численный расчёт влияния количества ступеней кольцевого термоакустического двигателя Стирлинга на его характеристики

Для цитирования:

Горшков И. Б., Петров В. В. Численный расчёт влияния количества ступеней кольцевого термоакустического двигателя Стирлинга на его характеристики // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2021. Т. 21, вып. 2. С. 133-144. DOI: 10.18500/1817-3020-2021-21-2-133-144

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).

Опубликована онлайн:

31.05.2021

Полный текст в формате PDF(Ru):

(загрузок: 316)

Язык публикации:

русский

Рубрика:

Радиофизика, электроника, акустика

Тип статьи:

Научная статья

УДК:

621.486

DOI:

10.18500/1817-3020-2021-21-2-133-144

Авторы:

Горшков Илья Борисович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского

Петров Владимир Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского

Аннотация:

Термоакустический двигатель с бегущей волной является разновидностью семейства двигателей Стирлинга. При увеличении количества ступеней кольцевого термоакустического двигателя с бегущей волной с одной до четырёх наблюдается улучшение характеристик акустической волны в зоне регенератора, уменьшается разность температур между теплообменниками, необходимая
для старта двигателя, и увеличивается КПД. По этой причине важно исследовать закономерности изменения характеристик двигателя при дальнейшем увеличении количества ступеней. Целью работы было исследование влияния количества ступеней на характеристики акустической волны в двигателе. Был проведён численный расчёт восьми моделей двигателей с числом ступеней от трёх до десяти в программе Delta EC. Рабочее тело – аргон под давлением 1.5 МПа, диаметр теплообменных аппаратов 160 мм, диаметр акустического резонатора 41.

2 мм, длина кольцевого корпуса двигателя у всех моделей была равна 8 метрам. Ступени во всех двигателях были конструктивно одинаковые. В ходе расчётов изменялось количество ступеней и количество акустических нагрузок при сохранении неизменной суммарной длины корпуса. Для каждой из восьми исследуемых моделей была проведена оптимизация величины акустической нагрузки, для достижения максимума КПД двигателя. Было показано, что при увеличении количества ступеней с трёх до десяти происходит постепенное увеличение разности фаз между колебаниями давления и скорости газа, т.е. приближение волны к параметрам стоячей во всей полости резонатора. При этом максимум мощности акустической нагрузки и КПД наблюдался при количестве ступеней равном пяти. При увеличении количества ступеней с пяти до десяти мощность каждой отдельной ступени снизилась на 15.8%, а КПД понизился на 8%.

Ключевые слова:

термоакустика

двигатель Стирлинга

регенератор

акустические автоколебания

программа Delta EC

многоступенчатый двигатель

Благодарности:

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта No 19-32-90127.

Список источников:

Jin T., Yang R., Wang Y., Feng Y., Tang K. Low temperature difference thermoacoustic prime mover with asymmetric multistage loop confi guration // Sci. Rep. UK. 2017. Vol. 7. P. 1–8. DOI: 10.1038/s41598-017-08124-5
Горшков И. Б., Петров В. В. Численное моделирование кольцевого четырехступенчатого термоакустического двигателя с бегущей волной // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2018. Т. 18, вып. 4. С. 285–296. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2018-18-4-285-296
Backhaus S., Swift G. A thermoacoustic-Stirling heat engine: Detailed study // J. Acoust. Soc. Am. 2000. Vol. 107. P. 3148 – 3166. https://doi.org/10.1121/1.429343

Abdoulla-Latiwish K., Jaworski A. Two-stage travelling-wave thermoacoustic electricity generator for rural areas of developing countries // Appl. Acoust. 2019. Vol. 151. P. 87–98. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2019.03.010
Xu J., Hu J., Zhang L., Dai W., Luo E. Effect of coupling position on a looped three-stage thermoacoustically-driven pulse tube cryocooler // Energy. 2015. Vol. 93. P. 994–998. http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2015.09.099
Douglas A., Wilcox Jr. Experimental investigation of thermoacoustic-Stirling engine electric generator with Gedeon streaming suppression : A thesis submitted to the Pennsylvania state university for the degree of doctor of philosophy in the faculty of engineering and physical sciences. Pennsylvania, 2011. 107 p. URL: https://etda.libraries.psu.edu/files/final_submissions/1323 (дата обращения: 18.01.2021).

Hamood А., Jaworski А. Experimental investigations of the performance of a thermoacoustic electricity generator // E3S Web Conf. International Conference on Advances in Energy Systems and Environmental Engineering (ASEE19). 2019. Vol. 116. P. 1–8. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201911600025
Bi T., Wu Z., Zhang L., Yu G., Luo E., Dai W. Development of a 5 kW traveling-wave thermoacoustic electric generator // Appl. Energy. 2017. Vol. 182. P. 1355–1361. https://doi.org/10.1016/j.apenergy. 2015.12.034
Blok K. Novel 4-stage traveling wave thermoacoustic power generator // Proceedings of ASME 2010 3rd joint US-European fl uids engineering summer meeting and 8^th international conference on nanochannels, microchannels, and minichannels. FEDSM-ICNMM2010 (August 1–5, 2010). Monreal (Canada), 2010. P. 73–79. DOI: 10.1115/FEDSM-ICNMM2010-30527

Zhang X., Chang J. Onset and steady-operation features of low temperature differential multi-stage travelling wave thermoacoustic engines for low grade energy utilization // Energy Convers. Manage. 2015. Vol. 105. P. 810–816. http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2015.08.032
Lewis M., Kuriyama T., Kuriyama F., Radebaugh R. Measurement of heat conduction through stacked screens // Adv. Cryogenic Eng. 1998. Vol. 43. P. 1611– 1618. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4757-9047-4_202 (дата обращения: 18.01.2021).
Swift G., Gardner D., Backhaus S. Acoustic recovery of lost power in pulse tube refrigerators // J. Acoust. Soc. Am. 1999. Vol. 105, iss. 2. P. 711–724. https://doi.org/10.1121/1.426262
Al-Kayiem A., Yu Z. Using a side-branched volume to tune the acoustic fi eld in a looped-tube travelling-wave thermoacoustic engine with a RC load // Energy Convers. Manage. 2017. Vol. 150. P. 814–821. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.03.019
Wang H., Yu G., Hu J., Wu Z., Hou M., Zhang L., Luo E. A novel looped low-temperature heat-driven thermoacoustic // Energy Procedia. 10th International Conference on Applied Energy (ICAE2018), 22–25 August 2018. Hong Kong, 2019. Vol. 158. P. 1653–1659. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.386
Tartibu L. Developing more effi cient travelling-wave thermo-acoustic refrigerators : A review // Sustain. Energy Technol. Assess. 2019. Vol. 31. P. 102–114. https://doi.org/10.1016/j.seta.2018.12.004
Jin T., Yang R., Wang Y., Feng Y., Tang K. Acoustic fi eld characteristics and performance analysis of a looped travelling-wave thermoacoustic refrigerator // Energy Convers. Manage. 2016. Vol. 123. P. 243–251. http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2016.06.041
Zhang X., Chang J., Cai S., Hu J. A multi-stage travelling wave thermoacoustic engine driven refrigerator and operation features for utilizing low grade energy // Energy Convers. Manage. 2016. Vol. 1114. P. 224–233. http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2016.02.035
Matveev K., Backhaus S., Swift G. The effect of gravity on heat transfer by Rayleigh streaming in pulse tubes and thermal buffer tubes // Proceedings of IMECE04 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Anaheim, California USA, 2004. P. 7–12. https://doi.org/10.1115/IMECE2004-59076
Matveev K., Swift G., Backhaus S. Analytical solution for temperature profi les at the ends of thermal buffer tubes // Int. J. Heat Mass Tran. 2007. Vol. 50. P. 897–901. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.08.004
Ward B., Clark G., Swift G. Design environment for low-amplitude thermoacoustic energy conversion, version 6. 4b27, users guide. Los Alamos : Los Alamos National Laboratory, 2012. 288 p. URL: https://www.lanl.gov/org/ddste/aldps/materials-physics applications/condensed-matter-magnet science/thermoacoustics/_assets/docs/UsersGuide.pdf (дата обращения: 18.01.2021).
Swift G. W. Thermoacoustic engines and refrigerators : A short course. Los Alamos : Los Alamos National Laboratory, 1999. 179 p. URL: https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc708875/ (дата обращения 18.01.2021).
Hamood A., Jaworski A., Mao X. Model and Design of a Four-Stage Thermoacoustic Electricity Generator with Two Push-Pull Linear Alternators // Proceedings of ASEE17. International Conference on Advances in Energy Systems and Environmental Engineering (ASEE17). (02–05 July 2017). Wroclaw, Poland. URL: http://eprints.whiterose.ac.uk/116886/7/Hamood%20reviewed%20corrected.pdf (дата обращения: 18.01.2021).
Wanga K., Qiu L. Numerical analysis on a four-stage looped thermoacoustic Stirling power generator for low temperature waste heat // Energy Convers. Manage. 2017. Vol. 150. P. 830–837. https://doi.org/10.1016/j.encon-man.2017.03.023
Zhanga L., Chena Y., Luo E. A novel thermoacoustic system for natural gas liquefaction // Energy Procedia. The 6^th International Conference on Applied Energy – ICAE2014. 2014. Vol. 61. P. 1042–1046. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.11.1020
Abduljalil A. S. Investigation of thermoacoustic processes in a travelling-wave looped-tube thermoacoustic engine : A thesis submitted to the university of Manchester for the degree of doctor of philosophy in the faculty of engineering and physical sciences. Manchester, 2012. 180 p. URL: https://search.proquest.com/openview/4cbb8002bb5130e9991b53f1358aef2d/1?… (дата обращения: 27.01.2021).
Blok K. 4-stage thermo acoustic power generator // Aster Thermoacoustic, 2010. URL: https://www.bioenergyforumfact.org/sites/default/files/2018-06/52.%204-s… (дата обращения: 27.01.2021).

Поступила в редакцию:

27.08. 2020

Принята к публикации:

12.03.2021

Опубликована:

31.05.2021

Анализ, расчет и конструирование

Двигатели стирлинга

Теоретические методы можно применять как для расчета характеристик рабочих процессов, так и для конструирования двигателя. Обычно в первом случае требуется более строгий подход, чем во втором. С помощью расчетных методов можно выполнить две задачи: оценить рабочие характеристики разрабатываемого двигателя и проанализировать работу созданного двигателя с целью его усовершенствования. И расчет, и конструирование опираются на численные методы. Чтобы выбрать оптимальную конструкцию двигателя Стирлинга, приходится исследовать порой тысячи комбинаций рабочих и геометрических характеристик, а для получения необходимых данных требуются сложные расчеты, занимающие многие часы, иногда и дни машинного времени. Однако имеются менее строгие теоретические и полуэмпирические методики, которые позволяют получить решение быстро и с приемлемой точностью.

Алгоритмы расчета и конструирования основаны на результатах анализа, выраженных в математической форме. Уровень анализа в большой степени определяет точность результатов. Однако с появлением быстродействующих ЭВМ стало возможно получать достаточно точные результаты, применяя менее строгие аналитические методы. Следовательно, при конструировании требуются менее строгие методы, чем при расчете. Хотя расчет и конструирование определены раздельно, они применяются или должны применяться совместно. На рис. 3.1 показана взаимная связь теории, конструирования и расчета. Согласно предложенной схеме, расчет можно рассматривать как основу итоговой конструкции. Можно рассчитать перспективную конструкцию, не занимаясь дорогостоящим изготовлением двигателя «в металле». Если спроектированный двигатель не обеспечивает расчетных характеристик, можно определить, какие узлы требуют усовершенствования, и повторить весь процесс расчета, пока не будет получено приемлемое решение. Только после этого можно приступать к изготовлению прототипа.

Аналитические методы, используемые при расчете и проектировании двигателей Стирлинга, можно отнести к двум основным категориям: методы раздельного анализа и методы комбинированного анализа. В методах, относящихся к первой категории, процессы, происходящие при работе двигателя, рассматриваются независимо друг от друга и затем путем суммирования отдельных решений находится окончательное решение. При этом обычно рассматривают идеальные термодинамические характеристики, применяя изотермические или адиабатные модели процессов, а затем вводят поправки, учитывающие аэродинамические потери, неидеальность регенерации, утечки рабочего тела, потери тепла и т. п. В комбинированном анализе все

Взаимосвязанные термодинамические и газодинамические процессы рассматриваются совместно, что позволяет получить более точное физическое и математическое описание реальных рабочих процессов. В результате такого подхода формулируется система дифференциальных уравнений в частных производных, которую нужно затем решить с помощью усовершенствованных методов численного интегрирования.

Такое деление теоретических методов на раздельные и комбинированные было предложено, если нам не изменяет память, Финкельштейном на семинаре в США в 1977 г. [1]. Эта терминология не вполне общепринята, и другие авторы предпочитают говорить об аналитических методах первого, второго и третьего порядков [2], а иногда вводят и еще одну градацию — метод «тривиального порядка» [3]. В данной главе обсуждаются различные подходы.

Хотя в настоящее время счетные машины имеют практически универсальные входные устройства, зачастую не слишком удобно создавать программу численного расчета или использовать имеющуюся программу, для оценки реализуемости конструкции или получения представления о том, какая нужна компоновка, чтобы обеспечить требуемые рабочие характеристики. Другими словами, требуется разумный приближенный подход, чтобы определить основные особенности конструкции и рабочие характеристики. Рассмотрим теперь подобный подход.

Термины и определения

В настоящем приложении определяются и разъясняются термины, применяемые — для характеристики и описания особенностей конструкции и протекания рабочих процессов в двигателях Стирлинга. Определения таких терминов, как «изотермический», «адиабатный» и т. …

Условия балансировки ромбического механизма привода

Ромбический приводной механизм, бывший некогда одним из основных механизмов привода двигателя Стирлинга, сейчас вышел из употребления и применяется лишь в очень редких случаях. Однако он должен вернуться, если окажутся жизнеспособными …

ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В МЕТОДЕ ШМИДТА

При проведении анализа использовались следующие предположения: 1. Все процессы являются обратимыми. 2. Справедливо уравнение состояния идеального газа pV = = MRT. 3. Изменения объемов подчиняются синусоидальному закону. 4. Достигнуты периодические …

Глава 3b — Первый закон — Закрытые системы

Глава 3b — Первый закон — Закрытые системы — Стирлинг Эбдайнс (обновлено 05.

07.2014)

Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы

b) Машины с идеальным циклом Стирлинга (двигатели / охладители)

1. Двигатель с циклом Стирлинга

Концептуально двигатель Стирлинга является самым простым из все тепловые двигатели. Он не имеет клапанов и включает в себя внешний подогрев. пространство и пространство с внешним охлаждением. Его изобрел Роберт Stirling, и интересный сайт к Боб Sier включает фотографию Роберта. Стерлинг, его оригинальный патентный рисунок 1816 года и анимированная модель. оригинального двигателя Стирлинга.

В исходном одноцилиндровом рабочем состоянии газ (обычно воздух или гелий) герметизируется внутри цилиндров поршень и перемещается между горячим и холодным пространством с помощью вытеснитель. Рычажный механизм, приводящий в движение поршень и вытеснитель, будет двигаться их так, что газ будет сжиматься, пока он находится в основном в охлаждать пространство сжатия и расширяться в то время как в горячем расширении космос. Это ясно показано на соседней анимации, которая был произведен Ричардом Уилером ( Зефирис ) Википедия .

См. также анимацию, созданную Мэттом. Кевени в своем Стирлинге движок анимация сайт. Поскольку газ находится при более высокой температуре и, следовательно, давлении во время его при расширении, чем при его сжатии, вырабатывается больше мощности при расширении, чем реабсорбируется при сжатии, и это чистая избыточная мощность – это полезная мощность двигателя. Обратите внимание, что нет клапанов или прерывистого сгорания, что является основным Источник шума в двигателе внутреннего сгорания. Тот же рабочий газ используется снова и снова, что делает двигатель Стирлинга герметичная система замкнутого цикла. Все, что добавлено в систему, устойчивый высокотемпературный нагрев, и все, что удаляется из система представляет собой низкотемпературную (отработанную) теплоту и механическую энергию.

Афины, штат Огайо, является центром производства велосипедной машины Стирлинга. деятельности, как двигателей, так и охладителей, и включает НИОКР и компании-производители, а также всемирно известные консультанты в области компьютерного анализа цикла Стирлинга. материнской компанией этого вида деятельности является Sunpower . Он был сформирован Уильямом Beale в 1974 году, в основном на основе его изобретение свободнопоршневого двигателя Стирлинга, о котором мы расскажем ниже. Они разработали свободнопоршневой двигатель/генератор мощностью 1 кВт, а с 1995 эта технология была использована компанией British Gas для разработки ТЭЦ (комбинированного производства тепловой энергии). и мощность) – двигатель/генератор мощностью 1 кВт в настоящее время производства Микроген Engine Corporation (см. История и Двигатель веб-страница).
В 2013 году компания Sunpower была приобретена компанией Ametek . в Пенсильвании, однако продолжает выполнять цикл Стирлинга. разработка машин в Афинах, штат Огайо.

Некоторые примеры одноцилиндровых двигателей Стирлинга: Стерлинг Технология (обратите внимание на недавнее название компании изменение: Комбинированная энергия Technology ) — дочерняя компания Sunpower. и изначально формировался для того, чтобы продолжить развитие и изготовление 3,5 кВт СТ-5 Воздушный двигатель . Этот большой одноцилиндровый двигатель сжигает топливо из биомассы (например, гранулы из опилок или рисовую шелуху) и может функционировать как когенерационная установка в сельской местности. это не свободнопоршневой двигатель и использует кривошипно-шатунный механизм для получения правильная фазировка буйка.
В настоящее время комбинированная энергетическая технология работает с Microgen Двигательная корпорация , международная компания, производящая свободнопоршневой двигатель/генератор MEC мощностью 1 кВт. Компания Combined Energy Technology разработала многотопливную горелку для двигатель и сотрудничает с Microgen, чтобы получить различные системы в магазин.

Еще одним важным ранним двигателем Стирлинга является двигатель Леманна. машина, на которой Густав Шмидт сделал первый разумный анализ Двигатели Стирлинга в 1871 году. Энди Росс из Колумбуса, штат Огайо, построил небольшой рабочая копия Леманн машина , а также модель воздушный двигатель .

Когенерация солнечной энергии и тепла: С нынешний энергетический кризис и кризис глобального потепления, возобновляется интерес к возобновляемым источникам энергии, таким как энергия ветра и солнца, и распределенные системы когенерации тепла и электроэнергии. Круто Energy из Боулдера, Колорадо, ранее разработал полный солнечных система когенерации тепла и электроэнергии для домашнее использование с использованием технологии двигателя Стирлинга для электричества поколение. Это уникальное приложение включало эвакуирован трубчатые солнечные тепловые коллекторы (слайд любезно предоставлено rusticresource.com ), аккумулирование тепла, горячая вода и обогреватели, а также Стерлинг двигатель/генератор, использующий газообразный азот. В настоящее время они концентрируются на низкотемпературных (150°C — 400°C) системах рекуперации тепла (См.: Круто Energy ThermoHeart 25 кВт Обзор двигателя ).

Идеальный анализ: Пожалуйста Примечание , что следующий анализ Двигатели с циклом Стирлинга идеальны и предназначены только в качестве примера. из Анализ первого закона закрытых систем. В реальном мире мы не можем ожидать реальные машины работают лучше чем на 40 — 50% от идеальных машина. Анализ реальных машин с циклом Стирлинга чрезвычайно сложный и требует сложного компьютерного анализа (см., например, веб-учебный ресурс по адресу: Stirling Цикл Машинный Анализ .)

Свободнопоршневой двигатель Стирлинга, разработанный Sunpower, Inc уникальна тем, что не требует механического соединения. между поршнем и вытеснителем, таким образом, правильная фазировка между ними происходит за счет использования давления газа и усилия пружины. Электроэнергия снимается с двигателя с помощью постоянных магнитов. прикреплен к поршню, приводящему в движение линейный генератор переменного тока. В основном Идеальный двигатель Стирлинга проходит 4 различных процесса, каждый из которых которые могут быть проанализированы отдельно, как показано на P-V схема ниже. Рассмотрим сначала работу, проделанную во всех четырех процессах.

Процесс 1-2 — это процесс сжатия, в котором газ сжимается поршнем, когда вытеснитель находится в верх цилиндра. Таким образом, в ходе этого процесса газ охлаждается в для поддержания постоянной температуры T _C . Работа W _1-2 требуется для сжатия газа показано как площадь под P-V кривой и оценивается следующим образом.

Процесс 2-3 является процесс вытеснения постоянного объема, при котором газ вытесняется из холодного пространства в горячее пространство расширения. Никакая работа не сделана, однако, как мы увидим ниже, значительное количество тепла Q _R поглощается газом из матрицы регенератора.
Процесс 3-4 представляет собой процесс изотермического расширения. Работа W _3-4 выполнена системой и отображается как область под P-V диаграмме, при этом тепло Q _3-4 добавляется в систему от источника тепла, поддержание постоянной температуры газа T _H .

Чистая работа W _net, выполненная за цикл, определяется по формуле: W _net = (W _3-4 + W _1-2 ), где работа на сжатие Вт _1-2 есть отрицательный (проделанная работа на система).

Теперь рассмотрим тепло, переданное за все четыре процессов, что позволит оценить тепловой КПД идеальный двигатель Стирлинга. Напомним из предыдущего раздела, что в для того, чтобы сделать анализ первого закона идеального газа, чтобы определить передаваемого тепла, нам нужно было разработать уравнения для определения изменение внутренней энергии Δu в пересчете на Конкретный Теплоемкость идеального газа .

Два процесса постоянного объема образованы удерживая поршень в фиксированном положении и перемещая газ между горячие и холодные помещения с помощью вытеснителя. Во время процесса 4-1 горячий газ отдает свое тепло Q _R, проходя через матрицу регенератора, которая в последующем полностью восстановился в процессе 2-3.

Мы найдем в главе 5 что это максимальный теоретический эффективность, достижимая от тепловой машины, и обычно упоминается как Карно эффективность. Для получения дополнительной информации по этому вопросу см. на бумагу: А Встреча Роберта Стирлинга и Сади Карно в 1824 году представлен на 2014 МЭК .

Обратите внимание, что при отсутствии регенератора тепло Q _R должно подаваться нагревателем. Таким образом, эффективность будет значительно сократиться до η _th = W _net / (Q _в + Q _R). Кроме того, охладитель должен будет отводить тепло, которое обычно поглощается регенератором, поэтому холодильная нагрузка будет увеличен до Q _из + Q _R . Напомним, что Q _2-3 = Q _R = -Q _4-1 .

Обратите внимание, что практический цикл Стирлинга имеет много потерь. связанный с ним и реально не связанный с изотермическими процессами, ни идеальной регенерации. Кроме того, поскольку Free-Piston Stirling циклические машины предполагают синусоидальное движение, P-V схема имеет овальную форму, а не острые края определены на приведенных выше схемах. Тем не менее, мы используем идеальную модель Стирлинга. цикл, чтобы получить первоначальное понимание и оценку цикла производительность.

Проблема 3.2 — Sunpower EG-1000 Stirling Двигатель/генератор
________________________________________________________________________________

2. Охладитель цикла Стирлинга

Один из важных аспектов машин с циклом Стирлинга, который нам нужно учитывать, что цикл можно обратить вспять — если мы положим net работать в цикле, то его можно использовать для откачки тепла из источник температуры к высокотемпературному стоку. Солнечная сила принимал активное участие в разработке Холодильные системы с циклом Стирлинга и производство по циклу Стирлинга криогенные охладители для сжижения кислорода. В 1984 Sunpower разработала свободный поршень Duplex Машина Стирлинга , имеющая только три движущихся части, включая один поршень и два вытеснителя, в которых зажигался газ Двигатель цикла Стирлинга приводил в действие охладитель цикла Стирлинга. Глобальное похолодание была создана в 1995 году как дочерняя компания Sunpower, и был сформирован в основном для разработки свободнопоршневого цикла Стирлинга кулеры для домашнего холодильника. Эти системы, кроме значительно эффективнее обычного парокомпрессионного холодильники, имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они компактны, портативны. агрегаты, использующие гелий в качестве рабочей жидкости (а не хладагенты ГФУ например, R134a с потенциалом глобального потепления 1300). Более Недавно Global Cooling решила сосредоточить свои разработки усилия по системам, в которых практически нет конкурентных системы — охлаждение между -40°C и -80°C, и они установили новое название компании: Стерлинг Ультрахолод .
Обновить — 2021: Стерлинг Ultracold Ultra-Low Temperature (ULT) Морозильники отвечают сегодняшним беспрецедентным задачам развертывания COVID-19. Обратитесь к Walgreens Пример вакцины против COVID-19 , а также Стерлинг Ultracold объединяется с Biolife Solutions .

Нам повезло, что мы получили два оригинальных M100B. кулеры от Global Cooling. Один используется как демонстрационная единица, и показан в работе на следующей фотографии. Второй устройство настроено как ME Старший Лабораторный проект , в котором мы оцениваем фактическая производительность машины при различных заданных нагрузках и температуры.

Схематическая диаграмма, за которой следует анимированная схема кулера (оба любезно предоставлены Global Cooling (в настоящее время Stirling Ultracold ) показаны ниже

Концептуально кулер предельно прост. устройство, состоящее по существу всего из двух подвижных частей — поршня и вытеснитель. Буек перемещает рабочий газ (гелий) между пространствами сжатия и расширения. Фазирование между поршень и вытеснитель таковы, что, когда большая часть газа находится в окружающее пространство сжатия, то поршень сжимает газ, в то время как отвод тепла в окружающую среду. Затем вытеснитель вытесняет газ через регенератор в холодное расширительное пространство, а затем оба вытеснитель и поршень позволяют газу расширяться в этом пространстве, в то время как поглощая тепло при низкой температуре.

________________________________________________________________________________________

Задача 3.3 — Цикл Стирлинга Кулер M100B — Идеальный анализ

К сожалению, анализ фактического цикла Стирлинга машины чрезвычайно сложны и требуют сложного компьютера анализ. Рассмотрим идеализированную модель этого охладителя, определенную в термины диаграммы P-V показано ниже, чтобы определить идеальную производительность M100B в типичных рабочих условиях, как описано ниже. ( Примечание что представленные здесь значения не являются фактическими значениями M100B, однако были разработаны вашим инструктором для целей этого упражнения только ).

Процесс (1)-(2) представляет собой процесс изотермического сжатия при температуре Т _С = 30°C, в течение которого нагревается Q _C. отбрасывается в окружающую среду. Процесс (2)-(3) представляет собой постоянный объем процесс вытеснения, при котором тепло Q _R отводится в матрицу регенератора. Процесс (3)-(4) процесс изотермического расширения при температуре T _Е = -20°С, в течение которого плавка Q _E поглощается из морозильной камеры, и, наконец, процесс (4)-(1) является процесс вытеснения постоянного объема, в ходе которого тепло Q _R поглощается из матрицы регенератора. Таким образом, идеал Цикл Стирлинга состоит из четырех отдельных процессов, каждый из которых можно анализировать отдельно. Состояние (1) определяется на максимальной громкости 35 см ³ и давление 1,9 МПа, а состояние (2) определяется при минимальном объеме 30 см ³ . Энергия передается как при сжатии, так и при расширении. указано на P-V схемы следующим образом:

Поскольку рабочим телом является гелий, который является идеальным газа, мы везде используем уравнение состояния идеального газа. Таким образом, P V = m R T, где R = 2,077 кДж/кг K, и Δu = Cv ΔT, где Cv = 3,116 кДж/кг К. (см.: Идеал Свойства газа )

а) Определить теплоту, поглощаемую при расширении пробел Q _E во время процесс расширения (3) — (4) (Джоули). Определить также тепло потребляемая мощность (Ватт). Обратите внимание, что частота цикла – это линия частота (f = 60 Гц). [Вопрос _Е = 8,56 Дж (мощность = 513,6 Вт)]
б) Определить чистую работу, выполненную за цикл (Джоули): Вт _нетто = W _E + W _C (Обратите внимание, что работа сжатия W _C всегда отрицательна). Определить также потребляемую мощность к линейному электродвигателю (Ватт). [Вт _нетто = -1,69 Дж (мощность = -101 Вт)]
c) Оценка коэффициента полезного действия холодильник определяется как: COP _R = Q _E / Вт _нетто . (нагревать поглощается в пространстве расширения, деленному на чистую выполненную работу). [КС _Р = 5,07]
г) Определить количество теплоты, отводимой рабочая жидкость Q _R as он проходит через матрицу регенератора в процессе (2)-(3). [Q _Р = -16,46 Дж (мощность = -988 W)]
Если бы не было регенератора присутствует, то это тепло должно быть отведено от газа с помощью процесс расширения с целью снижения температуры до холода температура морозилки. Как это повлияет на производительность кулер? Обсудите важность эффективного регенератора в охладитель цикла Стирлинга.

____________________________________________________________________________________

К Части c) Первый закон — дизельные двигатели

К Части d) Закона Первый закон — двигатели цикла Отто

________________________________________________________________________________________

Инженерная термодинамика Израиля Уриэли находится под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3. 0 США Лицензия

циклов Стирлинга | Диаграммы эффективности, P-V и T-S

Инженерная термодинамика

3 мая 2019 г. 3 мая 2019 г. 1 комментарий к циклу Стирлинга | диаграммы эффективности, P-V и T-S | Тепловой и рабочий стол

Цикл Стирлинга — это термодинамический цикл, на котором работает двигатель Стирлинга. Двигатель Стирлинга представляет собой регенеративную тепловую машину замкнутого цикла. Работает как на воздухе, так и на любом другом газе.

Цикл Стирлинга изобретен Робертом Стирлингом с помощью своего брата (в 1816 году).

Ниже приведены диаграммы P-V и T-S цикла Стирлинга.

Цикл Стирлинга состоит из четырех процессов

Процесс 1-2

Это изотермический процесс подвода тепла. Объем системы увеличивается за счет изотермического подвода тепла. В этом процессе также происходит небольшое падение давления.

Процесс 2-3

Это изохорный процесс отвода тепла. Из-за изохорного отвода тепла снижается как температура, так и давление в системе.

Процесс 3-4

Это изотермический процесс отвода тепла. Это процесс сжатия, поэтому давление в системе увеличивается, а объем уменьшается.

Процесс 4-1

Это изохорный процесс подвода тепла. И температура, и давление в системе увеличиваются из-за изохорного подвода тепла.

Ниже приведена таблица, в которой показаны взаимодействие тепла и работы в цикле Стирлинга, а также изменение внутренней энергии.

Процесс	Изменение внутренней энергии	Тепловое взаимодействие	Рабочее взаимодействие
Процесс 1-2	0	РТ ₁ пер(В ₂ /В ₁ )	РТ ₁ пер(В ₂ /В ₁ )
Процесс 2-3	С _В (Т ₃ -Т ₂ )	С _В (Т ₃ -Т ₂ )	0
Процесс 3-4	0	РТ ₃ пер(В ₄ /В ₃ )	РТ ₃ пер(В ₄ /В ₃ )
Процесс 4-1	С _В (Т ₁ -Т ₄ )	С _В (Т ₁ -Т ₄ )	0

Примечание: Отрицательное значение теплового взаимодействия указывает на тепло, отводимое системой, а положительное значение теплового взаимодействия указывает на тепло, поступающее в систему. Положительное значение рабочего взаимодействия указывает на работу, проделанную системой, а отрицательное значение рабочего взаимодействия указывает на работу, выполненную в системе.

Эффективность цикла Стирлинга представляет собой отношение количества произведенной работы к подведенному теплу.

Выработка = [RT ₁ ln(V ₂ /V ₁) + C _V (T ₁ -T ₄)] -[C _V (T ₂ -T ₃) + RT ₃ LN (T ₃) + RT ₃ (T ₃) + RT ₃ (T ₃) + RT ₃ V ₃ /V ₄ )]

Heat Input = RT ₁ ln(V ₂ /V ₁ ) + C _V (T ₁ -T ₄ )

КПД = Работа/Подвод тепла

После подстановки значений подводимой теплоты и работы в вышеприведенную формулу получаем

η = 1 – [(C _V (T ₂ -T ₃) + RT ₃ LN (V ₃ /V ₄)) /(RT ₁ LN (v ₂ /v

9100) + C _V (T ₁ -T ₄ ))] … (1)

Поскольку цикл Стирлинга является регенеративным циклом, следовательно, тепло, отводимое в процессе 2-3, используется для подвода тепла в процессе 4-1.