Стирлинг двигатель лучшая конструкция и максимальный кпд. Двигатель Стирлинга: принцип работы, типы конструкций и перспективы применения

Как устроен и работает двигатель Стирлинга. Какие существуют типы конструкций двигателя Стирлинга. Каковы преимущества и недостатки двигателя Стирлинга. Где применяется и какие перспективы у двигателя Стирлинга в будущем.

История создания двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Он искал безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высокого давления пара и некачественных материалов.

Главное отличие двигателя Стирлинга заключалось в том, что он мог преобразовывать в работу любую разницу температур, используя цикл сжатия-расширения газа в закрытом объеме. Это сделало его гораздо безопаснее паровых машин.

Стирлинг усовершенствовал свою конструкцию, добавив регенератор (теплообменник), который значительно повысил эффективность двигателя. Это изобретение на долгие годы определило принципиальную схему двигателей Стирлинга.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Принцип работы двигателя Стирлинга основан на постоянном чередовании нагревания и охлаждения рабочего тела в закрытом цилиндре. Это приводит поршень в движение, преобразуя тепловую энергию в механическую работу.

Работа двигателя Стирлинга включает 4 основных фазы:

1. Изотермическое расширение — газ нагревается и расширяется, совершая работу
2. Изохорный охлаждение — объем постоянный, газ охлаждается
3. Изотермическое сжатие — газ сжимается при постоянной температуре
4. Изохорный нагрев — объем постоянный, газ нагревается

Этот цикл повторяется непрерывно, заставляя поршень двигаться и совершать полезную работу. Важную роль играет регенератор — теплообменник, сохраняющий тепло между циклами и повышающий КПД.

Основные типы конструкций двигателя Стирлинга

Существует три основных типа конструкций двигателя Стирлинга:

Альфа-Стирлинг

Содержит два раздельных поршня в отдельных цилиндрах — горячем и холодном. Отличается высокой удельной мощностью, но возникают проблемы со смазкой горячего поршня.

Бета-Стирлинг

Имеет один цилиндр с горячей и холодной полостями. В цилиндре движутся рабочий поршень и вытеснитель. Более компактная конструкция.

Гамма-Стирлинг

Два отдельных цилиндра — один с рабочим поршнем, второй с вытеснителем. Проще в изготовлении, но имеет меньшую удельную мощность.

Преимущества двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга обладает рядом важных преимуществ:

• Может работать от любого источника тепла (солнце, ядерная энергия, биотопливо и т.д.)
• Простая конструкция, высокая надежность, большой ресурс
• Бесшумность работы, отсутствие вибраций
• Экологичность — нет выхлопов, не загрязняет окружающую среду
• Высокий теоретический КПД, близкий к циклу Карно

Недостатки двигателя Стирлинга

Несмотря на преимущества, двигатель Стирлинга имеет ряд существенных недостатков:

• Высокая материалоемкость конструкции
• Сложность в регулировании мощности
• Относительно низкая удельная мощность
• Необходимость применения специальных материалов
• Высокая стоимость производства

Эти недостатки ограничивают массовое применение двигателей Стирлинга, несмотря на их преимущества.

Области применения двигателя Стирлинга

Несмотря на ограничения, двигатели Стирлинга находят применение в следующих областях:

• Космические энергетические установки
• Подводные лодки и автономные подводные аппараты
• Когенерационные установки на биотопливе
• Солнечные электростанции
• Маломощные электрогенераторы
• Криогенные охладители

Особенно перспективно применение в системах, где важны бесшумность, надежность и возможность работы от различных источников тепла.

Современные разработки двигателей Стирлинга

Несмотря на ограниченное применение, разработки двигателей Стирлинга продолжаются. Основные направления исследований:

• Повышение удельной мощности
• Снижение массогабаритных показателей
• Применение современных материалов и технологий
• Разработка эффективных систем управления
• Оптимизация конструкции теплообменников

Есть успешные примеры создания компактных и эффективных двигателей для специальных применений.

Перспективы двигателя Стирлинга

Каковы перспективы применения двигателя Стирлинга в будущем? Основные направления:

• Использование в возобновляемой энергетике (солнечные станции, биогазовые установки)
• Применение в автономных энергоустановках малой мощности
• Развитие микро-ТЭЦ на основе двигателя Стирлинга
• Использование в гибридных силовых установках транспортных средств
• Создание высокоэффективных криогенных систем охлаждения

При решении основных технических проблем двигатель Стирлинга может найти более широкое применение в энергетике будущего.

Заключение

Двигатель Стирлинга, изобретенный более 200 лет назад, до сих пор привлекает внимание инженеров и исследователей. Его уникальные свойства — универсальность, экологичность, бесшумность — делают его перспективным для определенных применений.

Несмотря на ограничения, связанные со сложностью конструкции и высокой стоимостью, двигатель Стирлинга продолжает развиваться. Современные технологии и материалы позволяют создавать все более эффективные конструкции.

В будущем двигатели Стирлинга могут найти более широкое применение в возобновляемой энергетике, автономных энергоустановках и специализированных системах. Это делает дальнейшие исследования в данной области перспективными и многообещающими.

Так в чем же проблемы изготовления двигателя Стирлинга с высоким КПД?: engineering_ru — LiveJournal

   Как и большинство «виртуальных стирлингостроителей», заинтересовавшихся теоретическим КПД двигателя «Стирлинга», столкнулся с множеством вопросов и заново вспомнил (да и пересмотрел с практической точки зрения) законы термодинамики. В итоге, так до конца и не выяснил, почему же при таких хороших показателях в теории, все так плохо обстоит на практике. Вот то, что смог нарыть в Интернет.

  1.  Теоретический КПД, вроде бы, может быть равен КПД идеального цикла Карно (то есть максимально возможному, при определенной разнице температур),но при условии «идеального» регенератора, с коэффициентом теплопередачи 1,0. Вот тут неясно. В одних источниках пишут, что максимальный коэффициент 0,5, обосновывая тем, что тепло будет переходить от горячего тела к холодному, пока не сравняется их температура, то есть достигнет половины разницы температур горячего и холодного тела (тот самый коэффициент 0,5). Но в некоторых источниках упоминается коэффициент теплопередачи регенератора до 0,98, при этом не описывается, каким образом это достигается. Где правда, непонятно.
  2. Альфа-стирлинг (два цилиндра с поршнями — горячий и холодный) имеет проблемы со смазкой горячего поршня. Тогда почему именно этот тип пользуется популярностью?
  3. Бетта-стирлиг (один цилиндр, с вытеснителем в горячей части и поршнем в холодной) и гамма-стирлинг (два цилиндра — горячий с вытеснителем и холодный с поршнем) не имеют проблем со смазкой, так как трение о стенки только в холодном цилиндре, а вытеснитель имеет зазор от стенок цилиндра и не нуждается в смазке. То есть, такие двигатели могут работать с большой разницей температур, а значит с большим КПД. Но, почему-то, они считаются менее перспективными, чем альфа-стирлинги.

   К тому же, важным показателем, влияющим на КПД, является время циклов (количество оборотов) – чем оно больше, тем лучше теплообмен и выше КПД. Но, при этом, наблюдается «гонка за оборотами», которую обосновать чем-то, кроме как маркетинговыми интересами довольно трудно. То есть, причина типа «потери в редукторе при низких оборотах» не выдерживает критики – такие потери исчисляются всего лишь процентами, а прирост КПД может быть выше 10-30%. Поэтому, создается ощущение, что разработчики гонятся больше за такими характеристиками, как удельная мощность и оборотистость, чтобы противопоставить «стирлинги» ДВС, а КПД приносят в жертву.

   Но ведь можно оставить пока гонки с ДВС на транспорте и сосредоточится на стационарных двигателях Стирлинга, работая над повышением их КПД и удешевлением конструкции.  Работающие на любом виде топлива, в том числе и на солнечной энергии,  эти двигатели могут, в перспективе, конкурировать с солнечными батареями. И у них неплохие перспективы в области возобновляемой энергии, в том числе древесное топливо, которое за счет солнечной энергии «восстанавливается» за несколько десятилетий. И опять же, всеядность этих двигателей позволяет создавать электростанции (в том числе бытовые) комбинированного типа – пока есть солнце, работает от солнечной энергии, когда нет, то на твердом топливе.

   Правда, достижение высокого КПД, это не единственное направление, за которое стоит бороться, двигатели Стирлинга имеют еще один недостаток – так как источник тепла находится за пределами объема двигателя, а рабочее тело (газ) имеет низкую теплопроводность, то получается, что в работе участвует только газ, находящийся у стенок цилиндра. А значит, что отношение роста мощности к увеличению объема цилиндра, находится в обратной квадратичной зависимости. То есть, чтобы увеличить мощность в 5 раз, надо увеличить объем цилиндра в 25 раз.
   Именно поэтому, на заре «стирлингостроения» более-менее мощные двигатели были массивнее даже паровых машин при той же мощности. Сейчас эта проблема решается путем накачки двигателя газом под большим давлением, то есть увеличивается масса рабочего тела при том же объеме. Но этот путь тоже тупиковый – в двигателях больше пары литров, опять же, стоит та же проблема, квадратичное отношение роста объема к росту мощности. Да и проблемы с утечкой рабочего тела при давлениях в 100-200 атмосфер трудно решить.

   На этом фоне, более перспективным видится другое решение – заставить работать весь газ внутри двигателя, независимо от объема. Такое решение, несмотря на простоту реализации было предложено только недавно (источник — http://zayvka2016131416.blogspot.ru/) — поставить насос или вентилятор, которые будут создавать потоки газа внутри двигателя. И, по аналогии с вентилятором, дующим на радиатор, будет увеличиваться скорость охлаждения стенок цилиндров рабочим газом двигателя и обеспечиваться максимальное участие этого газа в работе, независимо от размера цилиндра. По идее, это должно дать толчок развитию двигателей Стирлинга, так как позволяет создавать довольно простые и мощные варианты этих двигателей.
   А если не гнаться за массогабаритными показателями автомобильных ДВС, то, может быть, скоро мы наконец то услышим о двигателях, работающих на дровах или солнечной энергии, с КПД 60-70%. И пусть они не смогут конкурировать по размерам с ДВС, но зато могут обеспечить выработку дешевой электроэнергии. А это, в свою очередь, может поспособствовать увеличению экономической целесообразности электромобилей. Ну, а в сочетании с получающими распространение пиролизными  котлами, может привести к полной автономии в энергоснабжении жилья (особенно новых домов, для подключения которых к электросети и газопроводу требуется немалая сумма).

   Вот как-то так. Буду рад услышать критику моих выкладок.

Двигатель стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг. Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

Несмотря на такой быстрый успех продвижения модели, в начале двадцатого столетия от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались из-за его себестоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.

Достоинства двигателя Стирлинга по схеме двойная гамма.

Основное достоинство двойной гаммы заключается в меньшей суммарной потери мощности на трении. Т.е. рабочий поршень тратит энергию на преодоление силы трения только в половине такта, работая на первый вытеснительный цилиндр, а во второй половине такта тратит энергию, работая на второй вытеснительный цилиндр. В обычной же гамме (см. Альфа и Гамма типы двигателя Стирлинга — само НЕсовершенство), рабочий цилиндр работает только половину такта, а вторую половину происходит холостой ход и поэтому затраты в два раза больше.

Второе небольшое достоинство — лучшая сбалансированность конструкции сдвоенной гаммы

Два вытеснителя всегда движутся в противофазе на 180° и это позволяет заострить внимание только на балансировке рабочего поршня

Уменьшение материалоёмкости и сложности. По сути на два вытеснителя в обычной компоновке нам бы пришлось использовать два рабочих поршня. Т.е. в 2 раза больше затраты на производство и занимаемый объём. Также вы можете воспользоваться стирлинг-калькулятором для оценки мощности двигателя.

Достоинства двойной гаммы можно использовать не только для двигателей внешнего подвода тепла, но и в холодильниках и тепловых насосах.

А кому интересны данные темы, предлагаю подписаться на новые статьи (в правом сайтбаре).

Преимущества ДВС Стирлинга

Основной плюс такого типа силового агрегата — это то, что может работать на разных видах топлива. На практике было испытано следующее: во внешнюю камеру устройства подавался сначала бензин, потом дизель, потом метан, потом сырая нефть и растительное масло. Все это делалось без остановки двигателя и он продолжал успешно работать.

Также большим плюсом по сравнению с обычными двух тактными или четыерхтактрыми двигателями внутреннего сгорания является то, что двигателю Стирлинга не нужно дополнительное навесное оборудование, такое как газораспределительный механизм, коробка переключения передач, стартер.

Ресурс двигателя Стирлинга — больше 100 тысяч работы без остановки.

Немаловажный плюс — бесшумность работы. Такой двигатель не нуждается в удалении отработанного газа. В нем не может быть детонации двигателя, вибрация практически отсутствует.

Конструкция двигателя Бета

конструкция стирлинга

Преимущество для окружающей среды — это двигатель, который не загрязняет экологию, а значит это залог здоровья.

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.

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.

Сейчас нет планов и нет чертежей для этого генератора

У меня нет никаких планов ни производить этот двигатель ни продавать чертежи для изготовления его деталей. Это строго научный проект для демонстрации жизнеспособности данного изделия. Затруднения и издержки в изготовлении некоторых компонентов нивелировались выбором усреднённого хоббийного качества изготовления. Также, существуют компромиссы в использовании для данного двигателя элементов компрессора РВ-2, которые не будут присутствовать в идеальной конструкции. Если так и будет, то для повышения производительности это требует размещение всех термодинамических компонентов на основе собственной разработки —  то есть, спроектированный заново картер, поршни, шатуны и т.д. Только тогда это будет продукт, который сможет иметь определённый рыночный потенциал.

Пожалуйста, смотрите на мои новые видео YouTube, как прогрессирует развитие. Я искренне благодарю всех вас за проявленный интерес!

Дэйв Кирк

Кирк Двигатели, Inc.

Далее некоторые данные из самого видео.

Совсем недавно, полная реконструкция нагревателя, регенератора и холодильника была выполнена и ,были произведены новые компоненты. Этот вариант, SV-2 MKII включает в себя все тонкости, необходимые для достижения поставленных целей. Головка нагревателя сделана из заготовки стали 316 при помощи электроэрозионного процесса. Купол и фланец свариваются в месте. Как внутренние, так и наружные ребра использованы для усиления теплообмена с рабочей жидкостью.

Внешние рёбра нагревателя и сварочный шов

Внутренние рёбра нагревателя и сварочный шов

Регенератор имеет корпус из нержавеющей стали 316 используя оберточную нержавеющую фольгу в виде материала регенератора. Толщина составляет 0,001 дюйма. Эта часть выполнена в виде цилиндрического контейнера. Торцевые экраны держат фольгу на месте.

Корпус регенератора

Охладитель сделан из 6061 Т-6 алюминиевого сплава также при помощи электроэрозионного  процесса. Внешнее кольцо образует обводный канал для охлаждающей жидкости. Нагреватель, регенератор и охладитель между собой объединены в «стек» и герметизированы при помощи кольцеобразных уплотнений

Обратите внимание на 1 кубический сантиметр, расположенный рядом

Холодильник двигателя стирлинга с водяной рубашкой

Головка цилиндра зоны компрессии изготовлена из алюминиевой заготовки. Соединительный канал сделан из толстостенной медной трубы.

Компрессионный насос двигателя стирлинга

«Стек» укреплён 4-мя несущими болтами диаметром 0,313 на кольцеобразных хомутах. Такая конструкция минимизирует утечку тепла в глубину структуры двигателя.

Кольцевые хомуты на двигателе стирлинга

Cпасибо

Массовый выпуск таких двигателей в настоящее время невозможен. Основная проблема — это материалоёмкость конструкции. Охлаждение рабочего тела двигателя требует установку радиаторов с большими объёмами. Вследствие этого увеличиваются размеры. Использование сложных видов рабочего тела вроде водорода или гелия поднимает вопрос о безопасности двигателя. Теплопроводность и температурная стойкость должны быть на высоком уровне. Тепло к рабочему объёму поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется по дороге. При изготовлении теплообменники приходится использовать термостойкие металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы стоят дорого и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Требуется разработка специальных управляющих устройств. Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и угла фаз между вытеснителем и силовым поршнем. Также можно изменить ёмкость полости с рабочим телом.

Классификация двигателей Стирлинга[править]

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.

Конфигурации.

Инженерами подразделяются двигатели Стирлинга на три различных типа:

Превью – увеличение по клику.

• Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, а цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. Отношение мощности к объёму достаточно велико, однако высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.
• Бета-Стирлинг — цилиндр один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.
• Гамма-Стирлинг — есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

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.

Конфигурация и конструкция двигателя Стирлинга:

Существует несколько конфигураций двигателя Стирлинга:

– альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах, один — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, с холодным — в более холодном.

Рис. 3. α-Стирлинг

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

У данного вида двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические трудности. 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, разделяющий горячую и холодную полости.

Рис. 4. β-Стирлинг

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

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).

Рис. 5. γ-Стирлинг

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

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.

Теоретическое обоснование полезности двигателя Стирлинга

Наглядный пример практической реализации – двигатель Стирлинга на шестнадцать цилиндров. Оригинальная современная конструкция технологичного устройства

Вразумительные ответы на такие вопросы даёт понимание теории двигателей. Действительно эффективный двигатель перемещает газ циклом процессов в соответствии с газовыми законами классической физики, где отмечаются:

• давление,
• объём,
• температура газа.

Идеальный цикл, как известно, открыл физик Карно. Французу Николя Карно удалось описать повторение цикла изотермического (с постоянной температурой) и адиабатического (сохраняющего тепло) расширения, с последующим изотермическим и адиабатическим сжатием.

Так вот, двигатель Стирлинга использует несколько иной цикл, демонстрирующий (в идеале):

1. Изотермическое сжатие: объём газа уменьшается, а давление увеличивается, тепло при этом передаётся теплообменнику.
2. Изоволюметрический нагрев: объём газа остается постоянным в момент прохода через регенератор. При этом восстанавливается часть предыдущего тепла.
3. Изотермическое расширение: газ поглощает энергию от источника, объём газовой составляющей увеличивается, давление уменьшается, температура остаётся постоянной.
4. Изоволюметрическое охлаждение: объём газа остается постоянным за счёт прохождения через регенератор и эффекта охлаждения.

Реальный двигатель Стирлинга, конечно, демонстрирует более сложную, менее идеальную версию теоретического цикла. Следует отметить: все четыре обозначенные стадии процесса жёстко не разделены, напротив, перекрывают одна другую.

Принцип работы двойной гаммы.

При рассмотрении вопроса о том как работает двойная гамма нужно понимать, что оба вытеснителя (дисплейсера) всегда жёстко работают в противофазе. Рабочий поршень работает с разницей от вытеснителей на 90°. Т.е. относительно одного на +90°, а относительно другого на -90°.

1. Вытеснитель 1 находится в своей верхней мёртвой точке (ВМТ). Всё рабочее тело (рабочий газ) расположено в нижней части цилиндра 1 (т.е. в холодильнике), поэтому газ сжат и имеет минимальный объём. Давления на рабочий поршень сверху отсутствует и «втягивает» рабочий поршень вверх. В этот же момент в цилиндре 2 вытеснитель 2 находится в НМТ. Рабочий газ при этом находится в горячей области цилиндра (вверху) и имеет максимальную температуру и соответственно максимальное давление. При этом давление в рабочем цилиндре максимальное и газ давит на рабочий поршень снизу.
2. В момент, когда вытеснитель 1 начинает двигаться вниз, газ из холодильника перетекает в нагреватель и тем самым начинает расширяться, повышая давление на рабочий поршень сверху. В этот момент вытеснитель 2 начинает двигаться вверх. Рабочий газ из нагревателя переходит в холодильник и тем самым давление на рабочий поршень снизу ослабевает. Изменения давлений в вытеснительных цилиндрах только начинает изменяться, но до сих пор давление в правом вытеснительном цилиндре выше давления в левом,  а рабочий поршень продолжает ещё двигаться вверх.
3. На середине пути вытеснитель 1 и вытеснитель 2 уравнивают свои давления на рабочий цилиндр и при пересечении «экватора» давление в горячем цилиндре 1 становится больше давления в горячем цилиндре 2. Это приводит и к тому, что газ в левом цилиндре начинает давить на рабочий поршень с бóльшим усилием, чем газ из правого цилиндра. Рабочий поршень начинает перемещаться вниз.
4. Когда вытеснитель 1 находится в НМТ, а вытеснитель 2 в своей ВМТ, то давление на рабочий поршень сверху становится максимальным, а давление снизу минимальным. Рабочий поршень при этом будет находиться посередине своего цилиндра и продолжать движение вниз.
5. В момент, когда вытеснитель 1 начинает двигаться вверх, газ из нагревателя перетекает в холодильник и тем самым начинает сжиматься, понижая давление на рабочий поршень сверху. В этот момент вытеснитель 2 начинает двигаться вниз. Рабочий газ из холодильника переходит в нагреватель и тем самым давление на рабочий поршень снизу усиливается. Изменения давлений в вытеснительных цилиндрах только начинает изменяться, но до сих пор давление в левом вытеснительном цилиндре выше давления в правом,  а рабочий поршень продолжает ещё двигаться вниз.
6. На середине пути вытеснитель 1 и вытеснитель 2 уравнивают свои давления на рабочий цилиндр и при пересечении «экватора» давление в холодном цилиндре 1 становится меньше давления в холодном цилиндре 2. Это приводит и к тому, что газ в правом цилиндре начинает давить на рабочий поршень с бóльшим усилием, чем газ из левого цилиндра. Рабочий поршень начинает перемещаться вверх.

История двигателя Стирлинга

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

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

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

P*V=n*R*T

здесь

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

Модель двигателя Стирлинга:

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

Пожаробезопасность

Очень много пожаров в отопительный сезон происходит по причине неисправности тепловентиляторов. Поэтому вы должны купить такую модель, в которую производители изначально заложили три вида защиты:

термостат

предохранитель

термореле двигателя вентилятора

Как выяснить, что такие защиты присутствуют в конструкции, и на что в первую очередь нужно обращать внимание? Не будете же вы в магазине разбирать устройство. У качественного товара должен быть сертификат пожаробезопасности

У качественного товара должен быть сертификат пожаробезопасности.

Это прямое доказательство наличия защиты и негорючего пластика у изделия. В дешевых ноунейм моделях такого сертификата вам никто не предоставит.

К сожалению, обязательной сертификации тепловой техники у нас пока нет, поэтому добросовестные производители (о них скажем чуть позже) проходят ее добровольно и самостоятельно.

О каких видах защиты идет речь?

Первое – в прибор должен быть встроен защитный термостат в виде биметалической пластины.

В случае поломки обдува вентилятора и перегрева спирали или керамики, он автоматически отключит устройство.

При этом не путайте термостат безопасности с рабочим термостатом, который обеспечивает, так называемый климат-контроль.

То есть, постоянное поддержание температуры в комнате, с периодическим отключением прибора.

Второе – для защиты от короткого замыкания внутри хорошего обогревателя кроме термостата присутствует термопредохранитель.

Помимо этих двух элементов для предотвращения перегрева обмоток двигателя вентилятора, глубоко внутри запрятано термопредохранительное реле.

Где найти все эти защиты, как их проверить и починить в случае выхода из строя, читайте в отдельной статье.

Применение двигателя Стирлинга:

Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим небольшой 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,

– насосы,

– тепловые насосы,

– холодильная техника.

Примечание: Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com, https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга, https://dvigyn.com/?p=1032

карта сайта

как работает как сделать двигатель стирлинга в домашних условияхвакуумный большой термоакустический солнечный самодельный роторный простой низкотемпературный мощный рабочий двигатель внешнего сгорания альфа стирлингадвигатель стирлинга из банок с генератором купить большой мощности своими руками чертежи видео дома домашних условиях квт кпд купить майнкрафт модель для сборкидвигатель стирлинга принцип работы сгорания скачать схема цена чертежи лучшая конструкция и максимальный кпдмодель сборка расчет мощность применение работа двигателя стирлинга купитьтипы двигателей стирлинга

Коэффициент востребованности
3 188

Двигатель Стирлинга

Солнечная тарелка двигателя Стирлинга . Источник: http://www.stirlingenergy.com

Фон

Двигатель Стирлинга уже много лет привлекает большое внимание. Его потенциал высокой эффективности и возможность использовать самые разные виды топлива сделали его серьезным претендентом на альтернативные источники энергии, особенно в автомобильной промышленности. Потенциал этих двигателей для замены двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в автомобилях изучался в конце 19 века.70-е и 1980-е годы.

В 1986 году НАСА выпустило технический отчет, в котором излагалась разработка автомобильного двигателя MOD I и MOD II (ссылка: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19880002196_1988002196). .pdf). В двигателе использовалась технология Стирлинга. В качестве рабочего газа использовался водород под давлением. Он был разработан и произведен совместными усилиями НАСА и MTI (Mechanical Technology Incorporated). В частности, двигатель MOD II мог достичь теплового КПД 38,5% (значительно выше, чем у ДВС с искровым зажиганием) и с мощностью, сравнимой с ДВС того же размера (83,5 л.с.). Он сжигал топливо с более чистыми выбросами, чем ДВС из-за того, что он сжигает топливо внешне к двигателю. Кроме того, при работе он производил гораздо меньше шума. Таким образом, для выхлопной трубы не потребуется глушитель или каталитический нейтрализатор.

Технические проблемы в основном были связаны с требованиями двигателя к высокому давлению (до 15 МПа), что требует громоздких компонентов и специализированных уплотнений. Тем не менее предполагалось, что стоимость производства из-за эффекта масштаба будет конкурентоспособной с ДВС. К сожалению, ему не удалось привлечь крупные инвестиции в автомобильную промышленность, главным образом потому, что он все еще находился в зачаточном состоянии в плане развития и не мог конкурировать с ДВС по скорости отклика. Двигатели Стирлинга не так быстро реагируют на изменение требований к мощности, как ДВС, и им требуется больше времени для прогрева перед выходом на полную мощность. В решении этой дилеммы можно было бы добиться больших успехов, используя сложные системы управления, регулирующие давление и т. д. Но, по словам крупных автопроизводителей, таких как GM, рынок «не потерпит этого», даже несмотря на повышение эффективности и снижение вредных выбросов выхлопных газов. были значительными. Кроме того, дешевой энергии (нефти) было много, и никто в то время не хотел вкладывать большие средства в двигатель, который считался «экономически рискованным».

И вот мы здесь, сегодня, перед энергетическим будущим, которое больше не может слепо полагаться на ископаемое топливо для удовлетворения наших потребностей. Сохранение становится все более важным, а также альтернативные источники энергии. Двигатель Стирлинга — одна из возможностей отказаться от ископаемого топлива, учитывая, что он может использовать для работы любой источник тепла, включая биомассу и солнечную энергию. Становится ясно, что интерес к этому типу двигателей никуда не денется. На самом деле интерес растет.

Основы двигателя Стирлинга. Что такое двигатель Стирлинга?

Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель, работающий на основе внешней приложенной разности температур. Поддерживая разницу температур между горячей и холодной, двигатель может работать и производить механическую энергию. Он отличается от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) тем, что это замкнутый цикл; то есть рабочий газ заключен (запечатан) внутри двигателя. Это отличается от ДВС, в котором рабочий газ (воздух) всасывается из окружающей среды, сгорает с топливом и выбрасывается в виде выхлопных газов. В таком двигателе необходимы клапаны и механизмы газораспределения. Но в двигателе Стирлинга такие компоненты не требуются. Кроме того, двигатель Стирлинга не ограничивается типом используемого топлива. Он безразличен к источнику тепла, что открывает множество возможностей, включая экологически чистую солнечную энергию или сжигание биомассы (древесина, шелуха, этанол и т. д.), которые являются углеродно-нейтральными. Углеродно-нейтральные означает, что они поглощают столько же углекислого газа (во время своего роста — за счет фотосинтеза), сколько выделяют при сгорании. Это не похоже на ископаемое топливо, которое при сжигании добавляет в атмосферу чистое количество углекислого газа.
Основной принцип работы двигателя Стирлинга таков. Двигатель заполнен (под давлением) газом, таким как воздух, гелий или водород. Это называется «рабочий газ». Внутри двигателя газ нагревается. Это увеличивает его давление и в результате перемещает поршни. Затем газ охлаждается, снижая его давление. Затем он снова нагревается, и цикл повторяется. В реальном двигателе это обычно происходит очень быстро, на том же уровне скорости, что и у ДВС. Рабочий газ очень быстро перемещается взад и вперед внутри двигателя, между горячим и холодным концами, постоянно набирая и теряя тепло и в результате производя мощность.

Рабочий газ внутри двигателя нагревается нагревателем, а охлаждается охладителем.

Нагреватель и охладитель обычно представляют собой компактные теплообменники, состоящие из узких трубок (или проходов), по которым протекает рабочий газ. Через эти проходы рабочий газ либо нагревается (становится горячее), либо отдает тепло (становится холоднее).

Внешняя поверхность нагревателя подвергается воздействию источника высокой температуры, такого как пламя горелки или концентрированная солнечная энергия. Внешняя поверхность охладителя подвергается воздействию источника холодной температуры, такого как окружающий воздух или вода.

Между нагревателем и охладителем находится регенератор. Регенератор повышает эффективность двигателя Стирлинга за счет снижения потребности в подводимой теплоте нагревателя и потребности в теплоотводе охладителя. Нет необходимости иметь регенератор для работы двигателя, но в интересах снижения затрат, особенно когда речь идет о стоимости топлива для нагревателя, разумно иметь его.

Принцип работы регенератора заключается в сохранении части тепловой энергии рабочего газа, когда он движется от нагревателя к охладителю, тем самым снижая потребность охладителя в охлаждении. А на обратном пути, когда рабочий газ движется от охладителя к нагревателю, он «отбирает» часть этой тепловой энергии, тем самым снижая потребность нагревателя в нагреве. Регенератор в основном предварительно нагревает рабочий газ перед его подачей в нагреватель и предварительно охлаждает рабочий газ перед поступлением в охладитель.

Регенератор обычно изготавливается из сложного матричного материала, состоящего из уложенных друг на друга металлических экранов или металлического войлока, сотканного из тонкой проволоки. Это обеспечивает большую площадь поверхности, необходимую для эффективного теплообмена с рабочим газом.

В целом, при проектировании двигателей Стирлинга на большую мощность и КПД необходимо учитывать несколько основных факторов:

(1) Сведите мертвый объем к минимуму. Мертвый объем снижает мощность двигателя. Мертвый объем — это объем, который «не охвачен» движениями поршней. Это объем нагревателя, охладителя, регенератора и всех зазоров. Этот объем постоянен во все времена.

(2) Нагреватель проектировать таким образом, чтобы максимально нагреть рабочий газ, т. е. на выходе газа из нагревателя его температура должна быть как можно ближе к температуре стенок нагревателя. Этого можно добиться, используя узкие и длинные трубки/каналы для прохождения газа.

(3) Конструкция охладителя должна обеспечивать максимальное охлаждение рабочего газа, т. е. температура газа на выходе из охладителя должна быть как можно ближе к температуре стенок охладителя. Этого можно добиться, используя узкие и длинные трубки/каналы для прохождения газа.

(4) Регенератор спроектирован так, чтобы обеспечить максимальный теплообмен с рабочим газом. Этого можно добиться, используя достаточно плотный матричный материал с большой площадью поверхности.

(5) Сведите потери при перекачивании к минимуму. Потери на прокачку представляют собой потери на трение (потоке), вызванные рабочим газом, когда он «проталкивается» через узкие трубы/каналы нагревателя и охладителя, а также матрицу регенератора. Свести к минимуму эти потери можно, используя большое количество труб/каналов в нагревателе и охладителе, а также регенератор большого объема.

Теперь все пункты (2) — (5) могут быть удовлетворены одновременно. Однако выполнение этих пунктов находится в прямом противоречии с пунктом номер (1). Если кто-то хочет сохранить мертвый объем как можно меньшим, ему будет трудно разработать хороший нагреватель, охладитель и регенератор, сохраняя при этом низкие насосные потери.

Решение состоит в том, чтобы пойти на компромисс по всем пяти пунктам, чтобы добиться наилучшего возможного дизайна. Задача состоит в том, чтобы найти оптимальный баланс, обеспечивающий наилучшую конструкцию двигателя.

Три конфигурации двигателя Стирлинга

Существуют три стандартные конфигурации двигателей Стирлинга. Это: «альфа», «бета» и «гамма».

Альфа Двигатель

На рисунке ниже показан стандартный альфа-движок.

Рабочий газ внутри двигателя постоянно «перебрасывается» туда и обратно между пространством расширения и сжатия из-за движения двух поршней вверх и вниз. Это многократно заставляет рабочий газ двигаться вперед и назад через нагреватель, регенератор и охладитель. В результате газ многократно нагревается и охлаждается, и вырабатывается электроэнергия.

Двигатели Alpha проще всего понять и проще всего построить. Также легко минимизировать мертвый (зазорный) объем в пространствах расширения и сжатия. Но одним из их основных недостатков является то, что они могут потребовать термостойких уплотнений для поршня, подвергающегося воздействию высокой температуры (показано справа). Уплотнения для другого поршня (слева) не должны быть термостойкими, потому что он постоянно подвергается воздействию низких температур из-за его физической близости к камере сжатия.

Бета-двигатель

На рисунке ниже показан стандартный бета-модуль.

Двигатели Beta имеют компактные размеры. Они используют силовой поршень и вытеснитель, которые находятся на одной линии друг с другом. В отличие от альфа-двигателя, в котором используются два поршня, в бета-двигателе используется один силовой поршень и вытеснитель. Задача силового поршня — вырабатывать энергию, а задача вытеснителя — перемещать рабочий газ вперед и назад через нагреватель, регенератор и охладитель. В результате толкающее усилие, испытываемое вытеснителем, очень мало по сравнению с усилием силового поршня.

Силовой поршень, буек и стержень буйка герметизированы вокруг своих зазоров, чтобы предотвратить утечку рабочего газа. Уплотнение вытеснителя размещено на конце, ближайшем к камере сжатия, во избежание прямого контакта с горячим рабочим газом (в камере расширения). В результате, это уплотнение не должно быть термостойким. Уплотнения для штока вытеснителя и силового поршня также не должны быть термостойкими, поскольку они постоянно подвергаются воздействию низких температур двигателя. Это связано с их физической близостью к пространству сжатия.

Недостатком бета-двигателя является то, что может быть трудно минимизировать мертвый (зазор) объем в пространстве расширения и сжатия, учитывая, что должен быть достаточный зазор, чтобы рабочий газ мог беспрепятственно «поступать» из нагревателя. и круче.
Гамма Двигатель

На рисунке ниже показан стандартный генератор гаммы.

Гамма-двигатели аналогичны бета-двигателям, за исключением того, что силовой поршень «сдвинут» вниз. Это может упростить конструкцию механического привода и рычажных механизмов, поскольку силовой поршень и вытеснитель находятся на определенном расстоянии друг от друга (а не на одной линии друг с другом). По этой причине гамма-конфигурация часто является предпочтительным выбором для энтузиастов двигателей Стирлинга.

Недостатком гамма-двигателя является то, что он неизбежно создает мертвый объем в пространстве сжатия из-за физического разделения вытеснителя и силового поршня.

Эффективность двигателя Стирлинга

Потенциальный КПД двигателя Стирлинга высок. Он сравним с КПД дизельного двигателя, но значительно выше, чем у бензинового двигателя с искровым зажиганием.
Одним из самых эффективных когда-либо созданных двигателей Стирлинга был автомобильный двигатель MOD II, выпускавшийся в 1980-е годы. Он достиг пикового теплового КПД 38,5%. Сравните это с современным двигателем с искровым зажиганием (бензиновым), пиковый КПД которого составляет 20-25%.

Несмотря на большую экономию топлива, двигатель MOD II был снят с производства из-за высокой стоимости разработки и опасений, что он не сможет конкурировать с двигателями внутреннего сгорания (бензиновыми и дизельными) с точки зрения отзывчивости.

Разная информация о двигателях Стирлинга

• Компоненты двигателя, подвергающиеся воздействию высоких температур, обычно изготавливаются из нержавеющей стали. К ним относятся: 1) поршень расширительного пространства (в двигателях альфа), 2) цилиндр расширительного пространства, 3) вытеснитель (в двигателях бета и гамма), 4) нагреватель, 5) матрица регенератора, 6) корпус регенератора.
• Лучшим рабочим газом для достижения высокой мощности и теплового КПД является водород. Гелий на втором месте. Однако гелий, вероятно, является более безопасным выбором, особенно для тех, кто не хочет идти на «взрывной» риск.

• Идеальный цикл Стирлинга сильно отличается от цикла практических (настоящих) двигателей. Во многих описаниях двигателей Стирлинга дается одно рабочее пространство, из чего следует термодинамический анализ. Рабочий газ расширяется и сжимается с помощью одного поршня. А нагрев и охлаждение происходит на внешней поверхности. Хотя он хорошо работает в качестве базового описания цикла Стирлинга, этот анализ нельзя напрямую применить к реальным двигателям, производящим энергию. В реальном двигателе вам нужно отдельное пространство расширения и сжатия, в котором рабочий газ перемещается туда и обратно через теплообменники. Только так можно обеспечить быстрый нагрев и охлаждение рабочего газа, необходимые для мощных двигателей, работающих на высоких оборотах. Следовательно, анализ идеального цикла нельзя использовать для моделирования реальных двигателей.

• В реальном двигателе всегда будет некоторая утечка, какой бы незначительной она ни была. Если вы используете воздух в качестве рабочего газа, у вас может быть небольшой компрессор для поддержания давления в двигателе. При использовании газа, такого как водород или гелий, лучше всего использовать резервуар для хранения высокого давления для поддержания давления. Как только давление в двигателе падает ниже определенного значения, бак выпускает газ в двигатель до тех пор, пока давление не восстановится. Если используется водород, можно даже иметь электролизное устройство, которое может производить водород из воды с использованием электричества. Это позволяет легко заменить вытекший газ.

• При использовании масла для смазки убедитесь, что оно не просачивается в двигатель. Тепло и давление внутри двигателя испаряют масло и в результате быстро загрязняют теплообменники. Чтобы бороться с этим, в некоторых поршнях используется комбинация различных уплотнений, как для предотвращения утечки газа из двигателя, так и для предотвращения просачивания масла.

• При использовании биомассы в качестве топлива для нагревателя (например, древесной щепы или проса) необходимо следить за тем, чтобы на трубках нагревателя не скапливался пепел. Зола в воздухе может плавиться из-за высокой температуры и образовывать изолирующий слой на трубках нагревателя, препятствуя проникновению тепла. Это убьет производительность. Этого можно избежать с помощью блока газификатор-горелка, который преобразует биомассу в горючие газы, которые сгорают чисто и не загрязняют теплообменник.

• Если в качестве охлаждающей среды для охладителя используется вода, ее обычно смешивают с антифризом, особенно если двигатель эксплуатируется в более холодном климате.

• Существует два типа приводных механизмов двигателей Стирлинга. Первый тип кинематический , в котором заданы движения поршня и вытеснителя; это означает, что они подключены к рычажным механизмам и коленчатому валу, которые, в свою очередь, подключены, скажем, к генератору. Другой тип — со свободным поршнем , в котором отсутствуют рычажные механизмы и коленчатый вал, соединенный с поршнем и вытеснителем. Это позволяет, например, соединить генератор непосредственно с поршнем и напрямую приводить в действие его возвратно-поступательным движением. Первый тип приводного механизма более распространен, хотя последний обеспечивает идеально герметичное уплотнение, при котором генератор (например, линейный генератор переменного тока) может быть полностью герметизирован внутри двигателя, что практически исключает утечку рабочего газа.
• Одним из способов значительного улучшения теплового КПД конструкции является повышение эффективности теплопередачи от источника тепла к трубкам нагревателя. Обычным механизмом потерь в этом отношении является потеря тепла в окружающую среду (например, теплый выхлоп из горелки). Способ свести к минимуму эти потери — использовать подогреватель воздуха. Используя поток выхлопных газов, подогреватель нагревает воздух перед тем, как он попадет в камеру сгорания, и используется больше тепловой энергии топлива. Это также более экономично, так как снижает расход топлива. Кроме того, вы также можете свести к минимуму потери тепла, поместив вокруг источника тепла изолированный кожух.

• Хорошо спроектированный источник тепла, такой как горелка с подогревателем воздуха, может иметь эффективность теплопередачи 90%. Это означает, что 10% тепла теряется в окружающую среду. Эта потеря еще больше снижает тепловую эффективность на несколько процентов. Например, двигатель, работающий с тепловым КПД 40 % и (теоретически) идеальной теплопередачей от источника тепла, будет работать с КПД 36 % и КПД теплопередачи 90 % (0,90×0,40).

Дополнительную информацию о двигателях Стирлинга можно найти в информационном руководстве, которое я создал для своей программы для двигателей Стирлинга. У меня также есть информационная страница о конструкции низкотемпературного двигателя Стирлинга.

Возврат на страницу Engineering

Вернуться на домашнюю страницу Real World Physics Problems

сообщить об этом объявлении

Почему двигатели Стирлинга не стали более популярными

Итак, почему они не стали более популярными?

Двигатели Стирлинга эффективны, экологичны и работают безотказно. Ну, если они такие замечательные, почему их не используют в автомобилях, лодках и самолетах?

The SunBox производства Cleanergy, шведской компании и ведущего мирового поставщика устойчивых энергетических решений на базе двигателя Стирлинга.

Вы, наверное, слышали, что двигатели Стирлинга могут быть очень эффективными.

Теоретически двигатели Стирлинга могут соответствовать максимальной теоретической эффективности цикла Карно. На самом деле некоторые двигатели Стирлинга очень эффективны¹.

Двигатели Стирлинга также могут работать чисто и безвредно для окружающей среды.

Итак, почему двигатели Стирлинга не используются чаще?

Вот краткий ответ:

Двигатели Стирлинга не подходят для приложений, которые должны быстро изменять уровни выходной мощности, например, автомобили.

Двигатели Стирлинга любят медленно изменять мощность.

Кроме того, они, как правило, тяжелее (и дороже), чем бензиновые или дизельные двигатели аналогичной мощности.

Краткое изложение полной статьи Ниже

Статья ниже расскажет вам историю двигателей Стирлинга, как они были забыты, потом возрождены, потом снова забыты, и даст вам более развернутый ответ о том, почему у вас, вероятно, нет мощный двигатель Стирлинга в вашем доме сегодня.

Нажмите на любую из ссылок ниже, чтобы перейти к этому разделу:

1. Оригинальные двигатели
2. Phillips Revival для питания ламповых радиоприемников
3. Неверное исследование
4. Неправильный маркетинг
5. Ошибочная благотворительность
6. Проклятие Карно
7. долларов за ватт
8. Сложная конструкция
9. Что можно купить сегодня

Оригинальный двигатель Стирлинга

Роберт Стирлинг изобрел свой первый двигатель в 1816 году, и в то время он вполне мог конкурировать с существующими паровыми двигателями того времени с точки зрения удельной мощности.

Однако у первых двигателей Стирлинга была проблема по сравнению с первыми паровыми двигателями. Материалом, который был доступен для изготовления любых двигателей в начале 1800-х годов, был чугун.

Чугун ненавидит быть горячим

Оригинальный патент Роберта Стирлинга. Горячая сторона двигателя достигла средней температуры выхлопа.

Помните, что и паровые двигатели, и двигатели Стирлинга являются двигателями внешнего сгорания, в которых возгорание не происходит внутри цилиндра двигателя.

Но в двигателе Стирлинга горячая сторона двигателя должна достичь средней температуры, при которой вы пытаетесь запустить двигатель, и оставаться на этом уровне.

Чугун НЕ является долговечным материалом, если он раскален докрасна или близок к раскалению докрасна. Современные нержавеющие стали могут работать бесконечно долго при таких температурах, а чугун — нет.

Как соревновались паровые машины

Чертеж паровой машины. Обратите внимание на воду, протекающую через центр под давлением, и топку, необходимую для удержания пламени.

Двигательная часть парового двигателя имеет гораздо более низкую температуру, чем горячая сторона двигателя Стирлинга. Вы можете очень хорошо построить паровые двигатели из чугуна, и они прослужат практически вечно.

Но паровая машина сама по себе не производит никакой энергии, для получения пара высокого давления нужен котел. Эти котлы могут выходить из строя и часто приводят к фатальным последствиям для людей, работающих поблизости.

Вот почему Роберт Стирлинг изобрел свой двигатель.

Паровые котлы только частично раскалены докрасна

Котлы в паровых машинах подвергаются воздействию средней температуры пламени только на горячей стороне.

Внутренняя часть парового котла работает при температуре воды под давлением внутри котла.

Это гораздо более низкая температура, чем на стороне пламени.

Разработчики паровых котлов могли частично компенсировать недостатки чугуна, например, сделав его немного толще.

Проблема материалов

Чугун начинает светиться красным при 500 градусах Цельсия или 930 градусов по Фаренгейту.

Таким образом, ранние паровые двигатели превзошли ранние двигатели Стирлинга в приложениях большой мощности, главным образом потому, что чугун не выдерживает долгого времени при высоких температурах.

Если бы нержавеющие стали, которые легко купить сегодня, были доступны в 1816 году, то следующие 100 лет были бы веком двигателей Стирлинга, а не веком паровых машин.

Где победили первые двигатели Стирлинга

Старинный водяной насос горячего воздуха Rider-Ericcson. Многие подобные двигатели Стирлинга до сих пор работают, и их можно увидеть на антикварных выставках по всему миру.

Не каждый, кому нужен источник энергии, пытается управлять чем-то большим, например поездом.

Некоторым людям нужно делать такие вещи, как

1. Насосная вода
2. Энергетика небольших заводов
3. Рабочие вентиляторы
4. Измельчить небольшое количество зерен

Этим людям нужно было что-то, что было бы легко запускать, эксплуатировать и обслуживать и которое прослужило бы долго.

Ранние двигатели Стирлинга очень хорошо конкурировали в этих нишах, и со временем их стали называть «двигателями горячего воздуха».

Двигатели горячего воздуха

Эти двигатели были безопасны в эксплуатации, работали с низкой удельной мощностью и прослужили долго.

Как долго они продержались? Они просуществовали так долго, что многие из них до сих пор доступны на антикварном рынке.

Старинный Стирлинг против Старинного Бензина или Дизеля

В 1870 году Джон Д. Рокфеллер основал Standard Oil Company, и к тому времени, когда он вышел на пенсию в 1902 году, эпоха нефти была в самом разгаре.

Выходная мощность бензинового двигателя, который можно было купить в 1870 году, опережала выходную мощность двигателя Стирлинга, доступного в 1870 году, и каждый год выходная мощность бензиновых двигателей росла быстрее, чем выходная мощность двигателей Стирлинга.

Стремление к электрификации

В 1893 году Всемирная колумбийская выставка в Чикаго была освещена и питалась от электричества. Хотя это было, конечно, не первое использование электричества, оно стало поворотным моментом в стремлении электрифицировать мир. двигатели вообще НЕ были конкурентоспособны с небольшими электродвигателями.

Как только область была электрифицирована, двигатели Стирлинга были отправлены в отставку, чтобы стать заветным антиквариатом, которым они являются сегодня.

Phillips Revival для питания радиоприемников

Электронные лампы, используемые в радиоприемниках, сильно нагреваются при использовании.

Вскоре после Второй мировой войны гиганту электроники Phillips из Голландии понадобился тихий и надежный аварийный источник питания для своих ламповых радиоприемников.

Для тех из вас, кто не знаком с электроникой на основе ламп, вы должны знать, что они сильно светятся и потребляют значительное количество энергии.

Один инженер, работавший в Philips Electronics, посмотрел на несколько старых двигателей с горячим воздухом и понял, что может разработать тихий и надежный источник питания для их радиоприемников, улучшив их, и вскоре Philips представила двигатели Стирлинга в современную эпоху.

Плохое рыночное время побеждает хорошее проектирование

Компания Philips наконец разработала и усовершенствовала свои двигатели Стирлинга, производящие энергию, примерно в то время, когда транзисторы заняли место в электронике.

Транзисторные радиоприемники потребляли настолько меньше энергии, что, когда людям нужно было использовать радиоприемники в чрезвычайных ситуациях, они могли легко и дешево питать их от батареек.

Philips не была компанией по производству двигателей

Ранний двигатель Phillips 102C Stirling.

Philips не была заинтересована в продаже двигателей, если они не использовались для питания их электроники.

Они не были заинтересованы в создании двигателей для каких-либо других целей, кроме электроники.

Компания Philips немедленно прекратила эксплуатацию двигателя Стирлинга после того, как для них стало очевидно, что весь мир производства электроники переходит на транзисторы.

К счастью для Philips, они разработали очень прибыльную линейку криокулеров Стирлинга, и этот бизнес продолжает производить криокуллеры Стирлинга и сегодня.

Неверное исследование

Работа Филлипса была хорошо опубликована в инженерных журналах и привлекла ученых, которые смогли доказать, что двигатели Стирлинга имеют очень высокий теоретический КПД.

Это доказательство высокой эффективности привлекло много внимания и денег на исследования.

Эффективные двигатели нужны всем, верно? Ну, есть и другие важные вещи, такие как начальная стоимость и использование двигателей, которые могут быстро и легко изменять уровни мощности.

Исследования по установке двигателей Стирлинга в автомобили

В 70-х годах правительство США попыталось установить двигатели Стирлинга в транспортных средствах, подобных этому AMC Spirit.

Правительство Соединенных Штатов финансировало программу исследований и разработок по установке двигателей Стирлинга в автомобилях, для которых они никогда не подходили.

Возобновление интереса к двигателям Стирлинга помогло запустить следующие исследовательские программы:

1. General Motors разработала прототип бесшумного генератора с двигателем Стирлинга для военных.
2. НАСА разработало ряд двигателей Стирлинга, установив один из них на пикап, а другие разработав для питания зондов дальнего космоса.
3. Частные лица пытались разработать двигатели Стирлинга для двигателей самолетов.

К сожалению, ни один из этих исследовательских проектов не привел к появлению продукта на рынке.

Неправильный маркетинг

Инженеры любят работать инженерами. Но они не очень любят продавать свои изобретения после того, как разработка завершена.

Поэтому они пытаются найти легкий выход, найдя кого-нибудь (или, что еще хуже, еще одну компанию), который будет заниматься маркетингом за них.

Вместо того, чтобы сделать разумный выбор, например, создать новую компанию и начать производство для обслуживания прибыльных нишевых рынков, они часто пытаются заключить партнерские отношения с крупной коммунальной компанией для продажи своих двигателей.

Крупной коммунальной компании нравится проект, потому что он звучит экологично и безвредно для окружающей среды, но, в конце концов, им наплевать на технологию.

Рассмотрим историю компании WhisperGen

Компания WhisperGen из Новой Зеландии разработала превосходный двигатель Стирлинга с комбинированной тепловой мощностью для домов, яхт и т. д.

Первоначально их двигатели продавались для яхт и могли бы стать отличной идеей, если бы они остались на прибыльных нишевых рынках.

Неправильные партнеры

Вместо этого они попытались найти крупных партнеров по маркетингу коммунальных услуг, которые пообещали распространить свои экологически чистые технологии по всей Европе.

В конце концов, коммунальные компании никогда особо не заботились о технологии, и коммунальные предприятия легко позволили своим счетчикам бобов уговорить их отменить проект.

К сожалению, к тому времени, когда идея установки двигателя Стирлинга в каждом доме в Европе была отменена, штат сотрудников стал настолько большим, что уже не было возможности сократить его для прибыльного обслуживания нишевых рынков.

Компания Дина Камена DEKA Research снова повторяет историю провала Whispergen, пока я пишу это.

Заблуждающаяся благотворительность

Многие заблуждающиеся филантропы и энтузиасты технологии Стирлинга пытались продвигать использование двигателей Стирлинга в странах третьего мира.

Они не смогли понять, что страны третьего мира совершенно не заинтересованы в том, что может быть для них оптимальным, особенно если это стоит на доллар больше, чем самый дешевый продукт, который они могут купить сегодня, и который также будет работать.

Как заинтересовать страны третьего мира

Страны третьего мира проявляют интерес к новым продуктам, когда видят их по американскому телевидению. Прямо сейчас они НЕ видят двигатели Стирлинга по американскому телевидению, поэтому им это не интересно.

 Отличный продукт для кого-то еще

Когда вы видите продукт и думаете, что он хорош для кого-то еще, это просто вежливый способ сказать: «Я не хочу этого».

Как найти правильные рынки сбыта

Если вы хотите продвигать двигатели Стирлинга, делайте это, создавая продукт, который ВЫ хотите использовать в своей жизни именно там, где вы живете сегодня.

Не пытайтесь сделать его для кого-то на другом конце света, чьи потребности вы не можете понять.

Как развивать рынки третьего мира

Энтузиасты технологий, которые хотят, чтобы двигатели Стирлинга использовались в странах третьего мира, должны сначала добиться их широкого применения в странах первого мира, а затем включить их в американские телешоу.

Чтобы заинтересовать страны третьего мира, продукты должны быть конкурентоспособными по цене или, что еще лучше,  дешевле, чем их существующие альтернативы внутреннего сгорания.

Проклятие Карно

Когда я посещал свой первый урок физики в Джолиете, штат Иллинойс, я наткнулся на предложение в своем учебнике по физике, которое гласило:

Двигатели Стирлинга имели такой же теоретический КПД, как и цикл Карно, а цикл Карно имеет максимально возможный теоретический КПД.

Я подумал про себя: «Если они такие классные, почему их не используют?»

Вероятно, это тот же вопрос, который привел вас на эту страницу.

Другие меры качества

Но эффективность — это только один из способов измерения качества продукта. Есть много других способов измерить качество дизайна, такие как низкая цена покупки и простота использования.

Стремление к эффективности при проектировании любого двигателя приведет к однобокому результату, который никто не захочет или не сможет купить.

Технически это правда!

Действительно, можно построить чрезвычайно эффективные двигатели Стирлинга.

И если вы скажете инженерам построить двигатель Стирлинга с максимально возможным КПД, они именно это и сделают.

И когда они закончат, они вернутся и бросят прототип на ваш стол, затем докажут эффективность своими тестовыми номерами и скажут: «Дайте мне мой бонус. Это очень эффективно».

Как работают инженерные компромиссы

Все в инженерии — это компромисс дизайна. Когда вы улучшите одну часть своего дизайна, пострадают другие. Если тебе это не нравится, мне все равно.

Двигатель Solar Stirling с КПД 38%. Миру не нужна эффективная солнечная энергия, ему нужна дешевая солнечная энергия.

Я инженер. Я учился в Университете Иллинойса, и так устроена природа. Это не дает дерьмо, что вы думаете.

Если вы инженер, ваша работа заключается в том, чтобы понимать, как работает природа, и создавать продукты, которые улучшают окружающие вас вещи.

Эффективность в технике имеет свою цену. Ваши первые улучшения эффективности будут дешевыми и принесут большие результаты, и вы должны их сделать.

Ваши вторые улучшения эффективности будут стоить дороже, и, возможно, вам не стоит делать их все.

Цена последних 3%

Но ваши последние 3% повышения эффективности вашей конструкции могут удвоить стоимость создания вашего двигателя, и вам определенно не следует этого делать, потому что никто не купит его, если вы это сделаете.

Лучший показатель качества – доллары за ватт

Покупателей интересует одно: выполняет ли этот продукт ту работу, которую я хочу, так, как я хочу, и по цене, которую я могу себе позволить?

По моему мнению, двигатели Стирлинга должны проектироваться с учетом стоимости ватта, которую клиент должен будет заплатить, чтобы доставить его к порогу и установить.

Каждая стоимость должна быть учтена, включая стоимость коробки, прежде чем будет написано первое руководство по дизайну.

Двигатели Стирлинга сконструировать сложно

Скажу прямо: сконструировать двигатели Стирлинга очень сложно.

Основные правила проектирования бензинового или дизельного двигателя просты: сосать, сжимать, хлопать, дуть. Это называется четырехтактным циклом.

Каждый ученик автомастерской или инженерной школы может легко понять, как сконструировать мощный бензиновый или дизельный двигатель.

Двигатели Стирлинга имеют другие правила проектирования

К сожалению, те же самые правила проектирования не применяются к двигателям Стирлинга.

В бензиновом двигателе, если вы хотите получить больше мощности, вы увеличиваете цилиндры, добавляете в двигатель больше воздуха и топлива и повторяете цикл быстрее.

Правила конструкции двигателя Стирлинга далеко не так просты и очевидны.

Если вы попытаетесь сделать с двигателем Стирлинга то же самое, что и с бензиновым двигателем, чтобы улучшить его, вы либо получите двигатель, который работает хуже, либо двигатель, который не работает вообще.

Подумайте о передаточном отношении

Конструкция двигателя Стирлинга основана на передаточном отношении, и все в двигателе взаимосвязано. Измените одну вещь, и это повлияет на все остальное.

Например, если вы что-то улучшите в двигателе Стирлинга, вам нужно будет изменить степень сжатия, чтобы воспользоваться этим улучшением.

Руководство NASA по проектированию двигателя Стирлинга

Я почти уверен, что в этой книге есть несколько полезных сведений о конструкции двигателя Стирлинга, но нет простого объяснения, которому можно было бы научить в автомастерской.

Типичный, непонятный правительственный документ.

Вы можете перейти по этой ссылке, чтобы попробовать свои силы в понимании руководства.

Двигатели Стирлинга не прощают ошибок при проектировании

Если вы построили бензиновый двигатель и допустили одну или две ошибки в конструкции, двигатель все равно будет работать, даже если его характеристики не так хороши, как вам хотелось бы.

С двигателями Стирлинга, если вы допустите хотя бы одну ошибку, ваш двигатель может вообще не запуститься.

Хороший дизайн возможен

Безусловно, можно научиться хорошо проектировать двигатели Стирлинга.

Я предлагаю начинающим разработчикам двигателей Стирлинга построить много моделей двигателей Стирлинга, чтобы почувствовать все переменные.

Новые конструкции двигателей Стирлинга должны быть построены с коэффициентами сжатия, которые легко изменить при испытании различных функций и устранении ошибок двигателя.

Что вы можете купить сегодня

Вентиляторы

Вентиляторы для дровяных печей, вероятно, являются наиболее широко доступными на сегодняшний день практичными двигателями Стирлинга.

Они не стали товаром на хозяйственном складе, но если у вас есть каюта без электричества и вы хотите, чтобы вентилятор перемещал воздух вокруг дровяной печи, это хороший вариант.

Взгляните на это, если вам нравится идея вентилятора двигателя Стирлинга.

Двигатели комбинированного нагрева

Эти двигатели появились на рынке относительно недорого и идеально подходят для компаний, которые используют много электроэнергии и горячей воды.

Они хороши для обогрева зданий или для таких вещей, как коммерческая прачечная.

Очень классные модели

Многие компании, включая мою, производят широкий спектр моделей двигателей Стирлинга для развлечений и обучения.

Этот рынок не должен обесцениваться.

Это ценные учебные пособия для студентов, изучающих физику и инженерное дело, а также для любителей технологий.

Модели с низким перепадом температур можно эксплуатировать в помещении, не заполняя помещение угарным газом.

Эти модели помогают всем учащимся понять фундаментальную физику всех типов двигателей, а не только двигателей Стирлинга.

Очень смертоносные подводные лодки. в военных играх.

В результате сверхтихая шведская подводная лодка уклонилась от противолодочной обороны авианосца и в симуляции отправила авианосец на дно с 5 торпедами, после чего бесшумно ушла².

Пока что военно-морской флот Соединенных Штатов не проявляет к ним никакого интереса, хотя кажется, что эти бесшумные подводные лодки являются самым большим вкладом в текущую военно-морскую стратегию Соединенных Штатов.

Импульсные двигатели Sun

Некоторые низкопроизводительные низкотемпературные двигатели Стирлинга производятся компанией Sun Orbit в Германии.

Они, вероятно, доступны в Интернете сегодня, хотя на их веб-сайте еще нет цен.

Дополнительные варианты использования двигателей Стирлинга

Если вам до сих пор нравилась эта страница, вам, вероятно, понравится наша страница о сегодняшнем использовании двигателей Стирлинга.

Пожалуйста, загляните в наш магазин Stirling

Если вы уделите минуту времени, чтобы заглянуть в наш магазин двигателей Stirling, вы нам очень поможете, даже если ничего не купите. Пожалуйста, проверьте это здесь.

Оставьте нам свой комментарий

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, прокомментируйте и не стесняйтесь оставлять ссылку на любые другие сайты двигателей Стирлинга в своих комментариях.