Двигатель стирлинга из компрессора

Будяк
Денис
Влерьевич

Стирлинг 2015 – промежуточные результаты

версия 2 , 2015-05-28

Интерес к Стирлингам возник у меня не позднее 2006 года. Были попытки разработать проект полезного Стирлинга на дровах, однако ожидаемые результаты были умеренными и я переключился на другой проект. В 2014-2015 годах прорабатывался вопрос аккумулирования электроэнергии в виде тепла, см. http://www.itp.nsc.ru/conferences/mzhz_2015/files/S05_Bydak.pdf . В этом контексте было решено проработать тему Стирлинга ещё раз.

С начала 2015 года проведена определённая работа. Переписана заново программа расчёта цикла, budden / cl-stirling-engine — Bitbucket . Продумана новая концепция двигателя, описанная в данном документе. Частично проработана конструкция двигателя и отдельных узлов.

2.1. Цели поиска

Хороший стирлинг должен быть эффективным, и иметь конкурентоспособную стоимость электроэнергии. Стоимость электроэнергии зависит срока жизни двигателя и от частоты обслуживания. Что входит в понятие "обслуживание", обычно поставщиками не раскрывается. Поскольку известно, что регенератор засоряется, а нагреватель трескается, мы вправе подозревать, что обслуживание подразумевает замену регенератора или нагревателя, т.е. самых дорогих деталей. В этом случае получим неприемлемую стоимость электроэнергии.

Поэтому для уверенности в успехе желательно найти примеры стирлингов, которые долго работает без обслуживания. В этом случае для оценки стоимости энергии достаточно знать стоимость установки и удельный расход топлива.

2.2.Успешные примеры

2.2.1. Kockums / SOLO / SES

Шведская Kockums поставляла лицензии и/или двигатели для SES (тех самых, которые добились рекордного КПД солнечной электростанции, а потом обанкротились), SOLO (рис.1, когенераторы на 10 кВт, ныне банкроты). Также Kockums делали двигатели для шведских подводных лодок. Теперь Kockums куплены SAAB .

Kockums начали с покупки лицензий у Филипс, а значит, используют большой накопленный опыт. Машины Kockums имеют высокий КПД машины от низшей теплоты сгорания топлива до мощности на валу – до 42% с водородом, 39% — с гелием. Они используют масляный картер и безмасляный рабочий тракт, которые отделены специальными уплотнениями. Заявлено время работы без обслуживания на водороде – не менее 10000 часов, на гелии – 18000 часов без обслуживания [ http :// www . globalsecurity . org / military / world / europe / kockums . htm ].

Дополнительным источником примеров реализации технологии "смазываемый механизм движения – несмазываемые уплотнения" являются поршневые компрессоры [Пластинин]. Картинки с изображением конструкций таких компрессоров можно увидеть здесь: http://www.castanet-sa.fr/en/products/rod-pressure-packings

Хотя машина SOLO выглядит упрощённой по сравнению с этой картинкой, сходство просматривается.

2.2.2. Infinia

Infinia (банкрот) занималась свободно-поршневыми двигателями. Они заявляли о 10-летнем сроке работы своих двигателей при КПД машины от подводимого тепла к эл. мощности в 29% [ White ].

У Infinia множество патентов, но неизвестно, какова конструкция их долговечных машин. В любом случае, неустранимым недостатком свободно-поршневого двигателя является малая скорость движения "ротора" магнитной системы относительно "статора", что приводит к удорожанию электрической части и к увеличению массы движущихся частей, либо к снижению КПД электрогенератора.

2.3.Менее успешные примеры

Из свободно-поршневых машин сегодня на рынке существует Viessmann Vitotwin Mikro KWK с электрической мощностью до 1 кВт, КПД до 15% при температуре нагревателя до 650С и стоимостью установки, включащей конденсационный котёл, около 1 млн. руб. Рабочее тело – гелий. В 2013 году были сообщения о проблемах с этим двигателем, [https://www.forumhouse.ru/threads/189069/page-3].

"Vitotwin 300-W к сожалению еще не доработан. Посмотрел на немецких форумах, у всех начинаются проблемы с блоком Стирлинге после примерно 3000 часов работы. А иногда гораздо чаще. Падает выработка эл. энергии с 1 квт. до 800-900 ватт у всех после 3000 часов. И это при немецкой аккуратности и исполнительности. В принципе меняется легко, но . запчасти даже в Германии дорогие. Иногда увеличивается после ремонта шумность."

Также существует похожий Английский аналог.

Некоторое время на рынке пребывала фирма Whispertech c 4-цилиндровым кинематическим двигателем, заполненный азотом, они использовали сухой картер и несмазываемые уплотнения поршня. Имеется работа [Field Trials with a WhisperGen Stirling Engine], в которой сообщено, что двигатель ломается примерно через 4000 часов. Затратив около 40 лет на разработку и выведение своего продукта на рынок, WhisperGen обанкротилась.

Также много лет известен, но массового применения не нашёл любительский двигатель ST -05 G кинематический, с сухим картером. Его ресурс до износа уплотнений составляет около 1000 часов.

Philips MP 1002 CA – машина на воздухе при 9-15 атм, смазываемая маслом. Она не нашла своего места на рынке. Согласно руководству пользователя, эта машина умеренно долговечна (2000 часов до ремонта), однако оценочный КПД системы в 4,7% слишком низок.

2.4.Бытовой холодильник

Помимо стирлинов, мы изучали ещё другие технологии. В каждом доме есть бытовой холодильник. Он содержит поршневую машину (компрессор) с принудительной смазкой всех деталей (включая поршень) маслом. Её моторесурс составляет десятки тысяч часов, при этом она необслуживаемая. Относительный КПД теплового насоса из не слишком крупного компрессора и электродвигателя (холодильная мощность 5-10кВт) достигает 50% с учётом потерь в электродвигателе [Якобсон, Малые холодильные машины, стр. 52-53]. Вот это хороший пример для подражания!

2.5.Выводы

На основании изучения примеров и математического моделирования мы сделали для себя вывод, что воздух, азот и сухой картер в кинематических машинах являются тупиковыми путями развития – на этом пути никому не удалось создать массовый продукт. Значит, нужно искать что-то другое и мы это другое нашли.

3.1. Смазка всех частей маслом

Предлагается сделать стирлинг, где все детали будут смазываться маслом, как в холодильнике. Чем принципиально отличается двигатель Стирлинга от холодильника? Температурой. В холодильнике, согласно [Рей, Макмайкл, Тепловые насосы] рабочее тело не нагревается выше 120-130С.

В обычном Стирлинге типичная температура нагревателя – около 650С.

Снизить температуру до температуры стабильности масла.

3.1.1.Выбор масла

Вапора – самые теплостойкие смазочные масла. Поршни водородных компрессоров смазываются вапорами [Пластинин, стр.108]. [Лукомский, стр. 34] сообщает, что под подушкой инертного газа цилиндровое масло Вапор-Т работает при температурах 280С в течение года без существенного образования отложений.

При детализации в этом направлении мы столкнулись с определёнными трудностями разного рода, которые пока не преодолены. Самая главная трудность — вязкость вапоров при рабочей температуре уплотнений и механизма движения слишком высока, а позволить себе два масла в герметичной необслуживаемой машине мы не можем. Работоспособность других масел при 280С ещё предстоит доказать.

Но уже известно, что моторное масло в районе поршневых колец в ДВС, где есть доступ кислорода, топлива и продуктов его неполного сгорания, работает до 220С [ http://www.oil-club.ru/vliyanie-temperatur-na-otlozheniya-v-dvi/ ]. Пока что на начальном этапе мы устанавливаем температуру нагревателя 220С и выбираем моторное масло, а дальше будем её повышать по мере накопления опыта использования масел при высоких температурах.

Здесь необходима серия экспериментов.

3.2.Нагреватель

3.2.1.Концепция внешнего нагревателя

Теплоизолированная дровяная печь – каменка накапливает тепло в слое камней. В каменке находится стальная, возможно, оребрённая, труба большой длины, в которой находится сжатый газ. Эта труба проходит также через внешнюю сторону нагревателя Стирлинга. Циркуляция газа через трубу – принудительная с помощью вентилятора с длинным валом, что позволяет разместить его подшипники и привод двигателя в холодном месте. Привод осуществляется от отдельного электродвигателя или от вала двигателя через магнитную муфту.

Такая концепция в нашем случае имеет следующие преимущества:

— за счёт снижения температуры нагревателя можно обойтись без подогревателя воздуха, а значит, не нужно его чистить

— нет необходимости регулировать процесс горения

— можно интенсивно протопить печь в течение короткого времени, а затем долго получать электроэнергию из накопленного тепла.

3.2.2.Цилиндрический оребрённый нагреватель

Позаимствована из Philips MP 1002 CA . Цилиндрический нагреватель, оребрение с внутренней и наружной стороны. В прототипе будем делать эрозионной обработкой оба вида рёбер, но можно и по-другому.

3.2.2.Температура внутренней стенки нагревателя – 220-300С

Эту температуру мы выбрали для стабильности масла, но она оказалась выгодной для внешнего нагревателя. Увеличивается КПД внешнего нагревателя. Типичная дровяная печь имеет КПД порядка 70%. Она греет кирпичные каналы, вряд ли они нагреты до 650С. Чем выше температура нагреваемой поверхности, тем меньше тепла она примет, тем горячее будут отходящие газы и тем ниже КПД процесса передачи тепла. Поэтому "настоящие" стирлинги в обязательном порядке имеют рекуператор тепла отходящих газов. В случае использования низкосортных топлив естественно ожидать, что эти детали будут засоряться смолами и золой, порождая постоянные проблемы при эксплуатации. Отсюда вытекает ещё одно решение.

3.2.3.Топка без подогревателя воздуха

Мы не проводили расчётов, но вполне очевидно, что 650С – это близко к температуре дымовых газов и пламени, поэтому подогреватель воздуха необходим для высокого КПД, а наши температуры гораздо ниже. Кроме того, открытые конструкции печи-каменки сами по себе могут иметь свойства регенератора тепла.

3.2.4.Аккумулятор теплоты

Аккумулятор теплоты прорабатывался нами ранее в рамках других проектов. Он проработан не полностью, однако некоторые оценки сделаны. Собственно теплоаккумулирующая ёмкость может представлять из себя теплоизолированную кирпичную или металлическую печь-каменку. При КПД системы двигатель-генератор в 11%, ёмкости аккумулятора с металлическим корпусом в 1м3 без учёта теплоизоляции, при перепаде температур 340С-260С ёмкость по электричеству составит около 3,3кВт*ч, стоимость аккумулятора на единицу ёмкости – 9,6 тыс.руб/кВт*ч электричества, это примерно равно стоимости ёмкости свинцовых аккумуляторов с учётом допустимой глубины разряда 30%. Длительность саморазряда от 340С до 260С – порядка недели. Такой теплоаккумулятор имеет следующие преимущества:

— можно протопить печь один раз и затем долго крутить стирлинг и получать электричество; нет проблемы управления мощностью горения печи;

— нет свинцовых аккумуляторов, которые токсичны и быстро изнашиваются;

3.3.Холодильник

3.3.1.Температура холодильника +50 C

Температура холодильника должна быть фиксированной, поскольку уплотнения поршня находятся при этой температуре. Вязкость большинства масел очень резко меняется с температурой, затруднительно создать механизм, хорошо работающий в широком диапазоне температур. Температура должна быть не слишком большой, поскольку при этом падает КПД двигателя, и не слишком маленькой, чтобы можно было использовать отходящее тепло или хотя бы эффективно сбросить его в окружающую среду. 50С – это наш выбор для прототипа на этапе разработки.

3.3.2.Сброс тепла в окружающую среду

Наиболее удобный способ – это воздушный теплообменник с охлаждением свободной конвекцией. Однако он может оказаться слишком дорогостоящим, в этом случае можно применить вентилятор и взять теплообменник от кондиционера или радиатор от автомобиля. Нужно лишь убедиться в совместимости по допустимому давлению. Понадобится ещё одна петля со сжатым газом и вентилятором для его циркуляции. Чем выше температура холодильника, тем проще сбросить тепло.

3.4.Внутренняя часть двигателя

3.4.1.Проблема "Масло и регенератор" разрешима

Известна проблема, что масло коксуется в регенераторе стирлинга. Однако, у нас масло работает в диапазоне своей термической стабильности, то оно не должно коксоваться и это условие у нас выполнено. Тем не менее, регенератор представляет из себя по сути фитиль для масла (проволоки с мелкими ячейками), и масло может в нём застревать. Простое (но непроверенное) решение этой проблемы состоит в том, чтобы вывести часть этого фитиля вниз на достаточно большую глубину, чтобы масло стекало по нему в специально подготовленный поддон. В любом случае, регенератор, смоченный маслом, обладает бОльшим гидравлическим сопротивлением, чем сухой, это нужно учесть при разработке.

3.4.2.Рабочее тело – гелий или водород

Как написано в пункте 2, воздух и азот мы исключили уже на этапе изучения опыта и мат. моделирования из-за их плохих характеристик. Например, в одном варианте рабочего контура переход с воздуха на водород позволяет увеличить КПД в 1,3 раза, либо увеличить мощность в 4 раза за счёт увеличения числа оборотов при сохранении такого же КПД.

Естественная последовательность развития такова: сначала гелий, потом водород. Гелий годится для начальной отладки, для богатых потребителей, для районов лёгкой транспортной доступности и для повышенных требований по безопасности. Водород – для остальных применений. Известны проблемы проницаемости водорода и гелия. В случае гелия необходим баллон для подзаправки (но ещё предстоит выяснить, насколько часто она понадобится), а в случае водорода можно попробовать генерировать его на месте, например, окислением алюминия водой. Такие генераторы существуют. В этом случае можно сразу получать водород высокого давления, достаточного для работы машины. Это избавляет от необходимости доставки гелия, что может оказаться неприемлемо дорого в удалённых местностях.

[ Sunpower ] предупреждает, что испарение органических веществ изоляции генератора может повредить газовые подшипники в свободнопоршневых машинах. Нам это не грозит, однако накопление большого количества посторонних газов ухудшает показатели рабочего тела. С этой точки зрения, использование постоянно работающего генератора водорода и отвод избыточного давления из машины представляют возможность избавиться от посторонних газов.

3.4.3.По закону не опасно 15 атмосфер

Высокое давление необходимо для создания достаточно компактного двигателя. Согласно нашему пониманию документа [Регламент Евразийского Союза "О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением"], мы имеем право заключить водород (а уж тем более гелий и азот) в смеси с маслом в сосуд объёмом не более литра при давлении до 20 атм или в больший сосуд при пропорциональном снижении давления. Этого вполне достаточно для мощностей машины порядка сотен ватт, а возможно, и до киловатта, без учёта трубопроводов.

Однако, мы имеем право заключить газ также и в достаточно тонкие трубопроводы, их объём не оговаривается регламентом (насколько я его понял). Это решает проблему создания петли подвода теплоты.

На начальном этапе давление будет 7 атм – для безопасности.

3.4.4.Водородная хрупкость не страшна

Имеются Российские и международные стандарты, согласно которым существует множество совместимых с водородом металлических и неметаллических материалов. В частности, сталь 20 при выбранном нами давлении совместима с водородом до 290С, стали 12Х18Н10Т – до более высоких температур. Также совместима резина. Есть определённые указания на совместимость терморасширенного графита – его применяют в качестве прокладок.

3.4.5.Смешанная компоновка альфа-гамма

В ходе математического моделирования мы выработали смешанную компоновку "альфа-гамма" или "кинематический рингбом". В ней шток вытеснителя имеет увеличенный диаметр. Уплотнения штоков с большим диаметром, как нам представляется, более надёжны. Компоновка выгодна и с термодинамической точки зрения – лучше согласован размер горячей и холодной полости. В обычной гамме энергия для движения вытеснителя передаётся от рабочего поршня через несколько подшипников и коленвал, при этом её часть теряется. У нас вытеснитель сам выполняет достаточную работу для своего движения и помогает крутить коленвал. За счёт этого внутренние потоки механической энергии в машине снижаются, вместе с механическими потерями.

3.4.6. Кривошипно-шатунный механизм, ползун

Кривошипно-шатунный хорошо изучен, он может быть спроектирован долговечным. У вытеснителя будет ползун, а рабочий поршень – сам себе ползун. Возможно, он будет выполнен так же, как в ДВС, с юбкой. Материалы поршней – чугун или сталь. Подшипники пока не определены, это зависит от вязкости масла. Возможно, что придётся разработать более одного вида подшипников на разную вязкость.

3.4.7.Полностью герметичная машина

Водород и гелий – газы с большой проницаемостью. Чтобы не иметь проблем от уплотнений, заключаем машину в герметичную полость и вместе с ней заключаем либо генератор, либо ведущую сторону магнитной муфты. При выбранной температуре 50С в среде лёгкого газа под высоким давлением будет обезпечено приемлемое охлаждение обмоток генератора. Генератор можно сделать более компактным, чем аналогичный генератор, работающий на воздухе, и с более высоким КПД. Магнитная муфта имеет относительно низкий КПД, поэтому годится только для лабораторных стендов.

3.4.8.Картер, магнитная муфта

Эти части пока не проработаны, однако имеются книжки, в которых описаны различные подходящие варианты реализации. Ясно только то, что картер будет под средним давлением рабочего тела.

3.4.9.Смазка

Система смазки не разработана, но готовые решения можно взять из двигателестроения и компрессоростроения. На начальных этапах вероятно использование внешнего маслонасоса с отдельным приводом, что даёт дополнительную возможность регулирования. Остался открытым вопрос о возврате масла из рабочего контура в картер. Источником энергии для такого возврата может служить пульсация давления в рабочем контуре. Возможно, достаточно будет сделать внутри рабочего контура поддон для сбора масла и гидравлический обратный клапан без подвижных частей, предпочтительно пропускающий масло из поддона в масляный поддон картера, но не наоборот.

Многие знают что такое двигатель Стирлинга и каковы его преимущества. Есть много литературы, чертежей и готовых устройств. Но почему-то совсем мало информации на тему холодильных качеств сего устройства. Ведь двигатель Стирлинга это обратимая машина. Если приложить к ней тепло с одной стороны, а холод с другой, то мы получим механическую энергию, а если приложить к Стирлингу механическую энергию, то мы сделаем одну сторону двигателя холодной, а другую горячей. Это свойство можно использовать как холодильную машину или попросту холодильник. Ещё один вариант использования — тепловой насос . Для удобства расчёта эффективности холодильника вы можете воспользоваться статьёй Калькулятор расчёта эффективности (КПД) теплового насоса .

Принцип действия холодильника на базе двигателя Стирлинга

Первый этап это максимальное давление рабочего газа. Рабочий поршень находится в ВМТ. Весь газ вытеснен из холодной зоны, т.е. из верхней части цилиндра. При постоянном объёме увеличилось давление, а значит и увеличилась температура рабочего тела. Поэтому избыточное тепло через стенки горячей области (нижняя часть цилиндра) сбрасывается в атмосферу, тем самым уменьшая свою температуру.

Чем выше степень сжатия газа, тем большее тепло можно отдать в окружающую среду. Но и в свою очередь необходимо прилагать большее усилие для сжатия рабочего тела. И ещё, что более важно, необходимо делать более мощную систему охлаждения для горячей части цилиндра. Как и в двигателях стрирлинга, в холодильниках очень большую роль играют теплообменники.

Этап 2. Начало уменьшения давления

Во втором этапе рабочий поршень начинает перемещаться вниз рабочего цилиндра. Это уменьшает давление газа и тем самым уменьшает его температуру. Полезная работа на это не тратится, так как давление в рабочем цилиндре всё ещё избыточное и оно больше, чем в картере холодильника стирлинга. В многоцилиндровых машинах это является положительным фактором, так как рабочий поршень помогает повышать давление в другом цилиндре. который отличается в такте на 180°.

Вытеснитель всё ещё находится в ВМТ (верхней мёртвой точке). Сброс тепла в окружающую среду уменьшается. При этом падает температура и в регенераторе. Также температура начинает стремительно снижаться в обоих частях теплообменников, в горячей его части и, соответственно, в холодной. Тем самым предвещая начала ещё большего остывания холодной части цилиндра.

Этап 3. Перемещение рабочего газа в холодную зону

В третьей части такта (3 этап) рабочий цилиндр достиг своей НМТ (нижней мёртвой точки). Т.е. давление в цилиндре почти минимальное. И для приближения поршня к НМТ необходимо было приложить некоторую энергию. Так как из-за сброса потенциального тепла мы потеряли часть энергии, а когда максимально уменьшили давление, то оно оказалось меньше, чем в картере холодильника.

Вытеснительный поршень начал своё движение из ВМТ. При этом рабочее тело начинает вытесняться из горячей области в холодную, проходя поочерёдно через нагреватель, регенератор и холодильник. А так как они сильно снизили свою температуру на 2 этапе, то газ ещё больше остывает.

Этап 4. Максимальное остывание холодной части цилиндра

Четвёртый этап — минимальная температура в холодильнике. В данной части положение положение обоих поршней (и рабочего и вытеснительного) находятся в НМТ. Давление в системе минимальное и, соответственно температура тоже минимальна.

Весь рабочий газ находится в холодной области цилиндра. А рабочий поршень и вытеснитель (дисплейсер) уже начинают устремляться вверх.

Как только оба поршня пойдут к ВМТ, давление станет снова возрастать и достигнет своего максима. И снова всё повторится, начиная с первого этапа.

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

Экология потребления.Наука и техника:Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой и эффективностью.

Менее ста лет назад двигатели внутреннего сгорания пытались завоевать свое законное место в конкурентной борьбе среди прочих имеющихся машин и движущихся механизмов. При этом в те времена превосходство бензинового двигателя не являлось столь очевидным. Существующие машины на паровых двигателях отличались бесшумностью, великолепными для того времени характеристиками мощности, простотой обслуживания, возможностью использования различного вида топлива. В дальнейшей борьбе за рынок двигатели внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, надежности и простоте взяли верх.

Дальнейшая гонка за совершенствования агрегатов и движущих механизмов, в которую в середине 20 века вступили газовые турбины и роторные разновидности двигателей, привела к тому, что несмотря на верховенство бензинового двигателя были предприняты попытки ввести на «игровое поле» совершенно новый вид двигателей — тепловой, впервые изобретенный в далеком 1861 году шотландским священником по имени Роберт Стирлинг. Двигатель получил название своего создателя.

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА: ФИЗИЧЕСКАЯ СТОРОНА ВОПРОСА

Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.

При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.

Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.

Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.

Все двигатели Стирлинга работают по принципу цикла Стирлинга, включающего в себя четыре основные фазы и две промежуточные. Основными являются нагрев, расширение, охлаждение и сжатие. В качестве стадии перехода рассматриваются переход к генератору холода и переход к нагревательному элементу. Полезная работа, совершаемая двигателем, строится исключительно на разнице температур нагревающей и охлаждающей частей.

СОВРЕМЕННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ СТИРЛИНГА

Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:

• альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
• бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
• гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель.

Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.

Настольная электростанция Стирлинга, купить которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:

• большие размеры, которые вызваны потребностью к постоянному охлаждению работающего поршня;
• использование высокого давления, что требуется для улучшения характеристик и мощности двигателя;
• потеря тепла, которая происходит за счет того, что выделяемое тепло передается не на само рабочее тело, а через систему теплообменников, чей нагрев приводит к потере КПД;
• резкое снижение мощности требует применения особых принципов, отличающихся от традиционных для бензиновых двигателей.

Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:

• любой вид топлива, поскольку как любые двигатели, использующие энергию тепла, данный двигатель способен функционировать при разнице температур любой среды;
• экономичность. Данные аппараты могут стать прекрасной заменой паровым агрегатам в случаях необходимости переработки энергии солнца, выдавая КПДна 30% выше;
• экологическая безопасность. Поскольку настольная электростанция кВт не создает выхлопного момента, то она не производит шума и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. В виде источника получения мощности выступает обычное тепло, а топливо выгорает практически полностью;
• конструктивная простота. Для своей работы Стирлинг не потребует дополнительных деталей или приспособлений. Он способен самостоятельно запускаться без использования стартера;
• повышенный ресурс работоспособности. Благодаря своей простоте, двигатель может обеспечить не одну сотню часов беспрерывной эксплуатации.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА

Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию.

Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стирлинга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелии или водород. опубликовано econet.ru

Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми: