Низкотемпературный двигатель стирлинга мощность

Н.Г. Кириллов, доктор технических наук, академик Академии военных наук, Заслуженный изобретатель РФ.

Сейчас уже всем очевидно, что одним из основных направлениями развития экономики и научно-технического прогресса в XXI веке становятся задачи поиска перспективных техноло­гий энергопреобразования и серийного производства новой техники на основе высокоэф­фективных термодинамических циклов с использованием возобновляемых видов топлива и новых рабочих тел. Это означает создание, производство и внедрение в массовое применение таких высокоэффективных и экологически чистых энергосистем, которые бы обеспечивали удовлетворение нужд промышленности и населения в энергии при минимальных затратах мате­риальных ресурсов.

Во всех развитых странах мира (прежде всего, ЕС и США) основой инновационного развития промышленности становится задачи перехода на новый технологический уровень, связанный с энергосбережением, экологий и сокращением доли использования традиционных энергоресурсов. Так, к 2025 году в странах ЕС более 20% энергии будет производиться за счет использования альтернативных и возобновляемых видов топлива. В рамках решения этих задач, по оценкам многих зарубежных специалистов, наиболее перспективным путем является разработка, производство и широкое внедрение энергопреобразующих сис­тем на основе двигателей Стирлинга.

Термодинамический цикл рассматриваемых двигателей был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. Наличие двух изотерм определяет равенство термодинамической эффективности идеального цикла Стирлинга и цикла Карно. Поэтому теоретически двигатели, работающие по циклу Стирлинга, потенциально самые высокоэффективные машины из всех существующих типов двигателей.

Первые наиболее интенсивные и серьезные работы по созданию конкурентноспособных двигателей Стирлинга, отличающихся чистотой выбросов, низким уровнем шума ввиду отсутствия взрывного сгорания, отсутствием систем газораспределения и зажига­ния, высокой топливной экономичностью начались в 1934 году в голландской компании «Филипс».

С 1975 года до 1990-х годов работы по создание двигателей Стирлинга велись в основном для автомобилестроительных компаний, таких как, “GeneralMotorsCo”, “FordMotorCo”, “MAN-MBW” и для военных нужд. Транспортные двигатели Стирлинга, как правило, исполнялись по типу двойного действия, с линейным приводом и т.д. При создании транспортных двигателей Стирлинга, с учетом большого количества циклов «пуск-остановка» и часто меняющейся мощности, жестких требований по массе и размерам, применялись дорогостоящие материалы (например, кобальт, цинк, медь, никель и т.д.) и сложное технологическое исполнение оригинальных конструктивных элементов. Такой подход позволял добиваться максимальных среди всех поршневых двигателей показателей эффективности, но и значительно повышал стоимость изделий. В настоящее время за рубежом транспортные типы двигателей Стирлинга широко используются в аэрокосмической технике, подводном кораблестроении, в качестве источников энергии для переносных станций связи диверсионных групп и войск специального назначения, а также в других областях военной техники.

С середины 90-х годов прошлого века в области создания двигателей Стирлинга стало превалировать направление стационарных энергетических установок. При их серийном производстве и эксплуатации наиболее значимым показателем является стоимость, которая складывается из стоимости изготовления и обслуживания. Массовые и габаритные характеристики для стационарных когенерационных установок не являются столь определяющими. На основе этого, в современных типах двигателей Стирлинга заложены новые технические решения, позволившие значительно снизить их стоимость. Необходимо отметить, что рядом зарубежных фирм начато производство двигателей, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки в диапозоне мощностей от 1 до 100 кВт.

Основные технические характеристики предлагаемых сегодня на рынке энергетических установок на основе двигателей Стирлинга, зависимости от фирмы производителя, колеблется в пределах:

— удельная стоимость от 1300$ до 3000$ за киловатт установленной мощности;

— моторесурс от 20000 до 87000 часов;

— эффективный к.п.д. до 45%.

Необходимо отметить, что в последние годы на рынке производителей двигателей Стирлинга происходят серьезные изменения. К работам по созданию двигателей Стирлинга приступили практически во всех крупных энергетических компаниях мира. О своих программах по двигателю Стирлинга заявили такие ведущие в мире фирмы по производству энергетических установок, как «TODEM», “CumminsPowerGeneration”, “ToshibaCorp.”, “MitsubishiElectricCorp.” и др. Только за последний, 2007 год, появились новые мощные объединения, например, европейский швейцарско-немецкий концерн «Stirling Systems AG» и транснациональная корпорация, в состав которой входят ведущие американские, японские, итальянские и немецкие энергетические фирмы (“Merloni Termosanitari (MTS Group)” (Италия), “Bosch Group” (Германия), “Rinnai” (Япония), “Infinia” (США).

Появление столь крупных компаний, объединяющих в себе значительные финансовые и производственные мощности, объясняется новым более высоким уровнем требований к эффективности энергетических систем, их экологической чистоты, возрастанием требований по использованию возобновляемых и чистых местных энергоресурсов. Безусловно, уже в ближайшее время это приведет к жесткой конкурентной борьбе на рынке двигателей Стирлинга и автономных энергетических установок в целом.

Перспективы использования машин Стирлинга в различных областях энергетики в настоящее время стали очевидным для всех промышленно развитых стран мира, так по данным зарубежных экспертов, в настоящее время во всем мире не менее 140 научно-исследовательских организаций и компаний ведут интенсивные исследования в этом направлении. Ведущими странами в области проектирования и создания машин Стирлинга являются США, Великобритания, Япония, ФРГ, Швеция и Нидерланды. Кроме перечисленных стран, в последнее время начались интенсивные исследования по двигателям Стирлинга в Китае, ЮАР, Австралии, Израиле, Канаде, Индии и ряде других стран. Объективно, в последние 15-20 лет в мире начала формироваться новая перспективная отрасль машиностроения – стирлингостроение.

Что такое машины, работающие по циклу Стирлинга?

Конструктивно, машины Стирлинга представляют собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: теп­лообменника нагрузки (нагревателя или конденсатора), регенератора и холодильника. В качестве рабочего тела используется, как правило, ге­лий, а также азот и воздух.

К достоинствам машин, работающих по циклу Стирлинга, следует отнести высокую степень экологической чистоты как самих рабочих тел машин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуата­ции, а также энергетическую эффективность.

К преимуществам машин Стирлинга следует отнести ряд принципиальных свойств, присущих только этим машинам и создающих реальные предпосылки для их широкого использования практически во всех областях промышлен­ности и техники, основными из которых являются:

* широкая универсальность самого термодинамического цикла, позво­ляющего при различном конструктивном исполнении создавать как преобра­зователи прямого цикла (двигатели), так и обратного цикла (холодильные и криогенные машины);

* наивысшая энергетическая эффективность (теоретический к.п.д. цикла идеальной машины Стирлинга равен к.п.д. цикла Карно);

* высокая степень экологической чистоты как самих рабочих тел ма­шин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуатации;

Среди выпускаемых двигателей энергетические установки с двигателем Стирлинга наиболее экологически чистые, так как концентрация вредных веществ в продуктах сгорания двигателя Стирлинга практически на два порядка ниже, чем у других поршневых и газотурбинных двигателей. Важнейшим потребительским свойство двигателей Стирлинга является самый низкий уровень шума по сравнению со всеми существующими двигателями других типов. В настоящее время этот показатель для двигателя Стирлинга колеблется на уровне 60-65 дБ. Это дает возможность устанавливать стирлинг-генераторы в непосредственной близости от потребителя, что позволит избавиться от потерь на передачу электроэнергии.

Современные области применения энергетических установок с двигателями Стирлинга

Современная мировая энергетика развивается в направлении децентрализации энергоснабжения, которое оказывает содействие созданию автономных когенерационных установок и максимального использования возобновляемых источников энергии. Исключительное свойство двигателей Стирлинга, как двигателя с внешним подводом теплоты, позволяет применять не только традиционные виды топлива, но также все без исключения виды альтернативных топлив, известных в настоящее время в мире, например, биогаз, уголь, отходы деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства, солнечную, атомную, высокопотенциальную теплоту дымовых газов и любые другие виды энергии, делает их особенно привлекательными в связи с использованием энергии из возобновляемых источников. Двигатель Стирлинга можно использовать во всех областях, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую.

Читайте также:  Переборка двигателя вольво 850

Когенерационные энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на традиционном газовом топливе (природный газ и пропан).

Высокая экологическая чистота и эффективность обеспечивают перспективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках (КУ) мощностью до 100 кВт, для одновременной выработки электроэнергии и тепла в местах их непосредственного потребления. Это новая технология для комбинирован­ного производства электроэнергии и тепла, на основе автономных двига­телей и системы рекуперации тепла, в которой энергия охлаждающей воды и отработанных газов используется для нужд теплоснабжения потребите­лей. Эффективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами, обусловлена особенностью его теплового баланса, выражающегося в разнице между потерями теплоты с отработанными газами и в охлаждающую воду. Для двигателя Стирлинга этот баланс составляет, соответственно, 10% и 40%, что с учетом более высокого к.п.д. самого двигателя, позво­ляет создавать компактные и высокоэффективные когенерационные установки (КУ). К.п.д. современных зарубежных стирплинг-генераторов с учетом получения дополнительного тепла может достигать до 95%.

На рис. 1 представлен двигатель Стирлинга, работающий на природном газе мощностью 9 кВт. Данный двигатель входит в состав когенерационной установки вырабатывающей дополнительно около 27 кВт тепловой энергии.

С 2008 года в Германии и в ряде других развитых стран реализуются федеральные энергетическая программы по установки в домах и квартирах когенерационных установок на двигателем Стирлинга с электрической мощностью от 1,5 кВт. По мнению немецких специалистов, предтворение в жизнь данного проекта позволит избежать строительства трех крупных атомных электростанций на территории страны.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на твердых биоресурсах.

В настоящее время ввиду истощения ранее разведанных запасов и удорожания органического топлива (нефти и природного газа), для многих стран мира представляет значительный интерес возмож­ность серийного производства электрогенераторов средней мощности (от 3 до 100 кВт) с модификацией двигателя Стирлинга под местное топливо. В качестве местного топлива для стирлинг-генераторов может использовать­ся торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и ле­соперерабатывающей промышленности. Решение данного вопроса уже в бли­жайшее время позволит обеспечить многие регионы мира дешевыми в экс­плуатации автономными энергоисточниками на местном топливе.

В настоящее время на рынке уже появились когенерационные установки с двигателями Стирлинга, в качестве топлива для которых используются древесная щепа, торф, биогаз и отходы сельского хозяйства.

Возврат к биоресурсам – это не возврат в прошлое, а разумный подход к экономике и экологии. Широкое использование автономных источников энергии, работающих на местном топливе, отражает мировую тенденцию на энерго- и ресурсосбережение. Наиболее интенсивно данное направление развивается в странах имеющих значительный запас биоресурсов (леса, торфяных болот и т.д.), к числу которых относятся: Швеция, Норвегия, Дания, Финляндия, России, страны Африки и Южной Америки. В России многие регионы обладают огромными запасами местного дешевого топлива. Так, например, Карелия (северо-западный регион России) располагает значительными ресурсами постоянно возобновляемой биомассы в виде древесных растений, торфа и отходов сельского хозяйства, которые могут быть использованы в энергетических целях. Запасы торфа в Карелии оценены в 2 млрд. тонн и ресурсы древесного сырья лиственных пород около 2 млн.м3/год. Только за счет использования торфа и древесного сырья можно на 60% уменьшить объем привозного топлива, а это практически третья часть бюджета Республики Карелия.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на генераторном газе.

В основе работы газогенератора лежит принцип: преобразование твердого топлива в газообразное под воздействием высокой температуры без доступа кислорода. В результате процесса, называемого пиролизом, вырабатывается генераторный, древесный газ. Газогенераторная установка предельно проста по конструкции, не требует специально обученного обслуживающего персонала в эксплуатации. Газогенератор состоит из трех основных частей: камеры газообразования, камеры возгорания и загрузочного бункера. Детали установки, работающие при повышенных температурах, изготавливаются из жаропрочных материалов. Высокая рентабельность газогенераторных стирлинг-генераторов определяется дешевизной электрической и тепловой энергии, использованием местных видов топлива, близостью к потребителю, отсутствием необходимости в дорогостоящих ЛЭП и подстанциях, экологической безопасностью и мобильностью.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на солнечной энергии.

Высокий к.п.д. и надежность конструкции двигателя Стирлинга обуславливают эффективность его использования в солнечных энергетических установках (Рис.3). Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух. Роль такого экологически чистого источника энергии в современном мире легко оценить. Из известных практически реализованных солнечных установок для получения электроэнергии наибольшим к.п.д. обладают установки с па­раболическими зеркалами и двигателями Стирлинга.

Среди наиболее значимых проектов по использованию солнечной энергии в настоящее время является проект создания грандиозной солнечной фермы на юге США. По данному проекту, на территории штата Невада площадью 160 кв. км будет создана, не имеющая аналогов в мире, гелиоэнерегетическая система на основе «солнечных» двигателей Стирлинга. В конечном счёте, проект предполагает компактное размещение десятки тысяч таких установок, которые будут трансформировать солнечную энергию и поставлять электричество юго-западным распределительным компаниям США.

Рис. 4. Солнечная ферма с двигателями Стирлинга в штате Невада

По расчетам американских специалистов, в случае удачного реализации данного проекта, на юге США будет создана ферма солнечных стирлингов, площадью 160х160 километров на юге США, которая покроет полностью всю потребность страны в электроэнергии.

Широко известны работы ряда крупных зарубежных фирм по созданию солнечных энергетических установок с двигателями Стирлинга для космических аппаратов, орбитальных космических станций и «лунных баз» с двигателями Стирлинга мощностью от 3 до 200 кВт. Фирмой «Алиссон» разработан и построен космический вариант солнечной установки с двигателем Стирлинга мощностью 5 кВт. Двигатель имел при n=3000 об/мин и к.п.д. равное 37,5%. В качестве источника теплоты использовался параболический лепестковый концентратор диаметром 5,8 м, который создавал в приемнике температуру 947 К. В ловушке приемника излучения предусматривался тепловой аккумулятор, отдававший тепло фазового превращения при постоянной температуре на теневых участках орбиты полета. Данная анаэробная установка имела массу 250 кг и долгое время работала на одном из искусственных спутников Земли (ИСЗ) типа «Джеминай».

В настоящее время разработкой солнечных энергетических установок с двигателями Стирлинга для объектов различного назначения занимаются ряд крупных зарубежных фирм, среди которых американская корпорация «NASA», фирма «Sanpower», анг­лийская фирма «Britisch Аerospace Public Сompany» и т.д. Так, компаниями «MC Donnall Donglas Aerospаcе» и «United Stirling AB» созданы несколько образцов «солнечных Стирлингов» мощности до 25 кВт.

Американская компания Infinia до конца текущего года рассчитывает завершить разработку конструкции новых электрогенераторов для развивающихся стран, построенных на основе солнечных двигателей Стирлинга. В отличие от традиционных солнечных батарей, коэффициент полезного действия которых составляет от 12 до 15 процентов и редко достигает 22 процентов, к.п.д. установки Infinia на основе двигателя Стирлинга, по прогнозам компании, будет составлять более 24 процентов. Мощность двигателя 3-5 кВт.

Атомные энергетические установки с двигателем Стирлинга.

Рис. 5.

Читайте также:  Панель управления шагового двигателя

Программа ядерных источников питания (Nuclear Power Program) имеет целью резко (на 1-2 порядка) повысить научную отдачу межпланетных миссий за счет увеличения продолжительности работы и производительности космических аппаратов и приборов, размещения на МКС нескольких посадочных аппаратов, приборов с высоким энергопотреблением, а также организации высокоскоростных каналов связи.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающими на нетрадиционном газовом топливе (биогаз, свалочный газ, попутном нефтяном газе и т.д.).

Одним из направлений применения местных биоресурсов является проект энергоснабжения небольшого населенного пункта с использованием двигателей Стирлинга, работающих на биогазе. Биогаз вырабатывается в метантенках на окраине поселка и подается по трубопроводам к индивидуальным домам, в которых установлены когенерационные установки с двигателями Стирлинга. На рис. 6 представлен эскиз данного проекта.

Перспективным направлением является и использования в двигателях Стирлинга в качестве топлива биогаза из городских твердых бытовых отходов (ТБО). Для производства биогаза из ТБО, измельченные отходы в метантенке перемешивают с канализационным осадок из первичных и вторичных отстойников очистных сооружений. В 2005 году впервые в мире в Китае был создан экспериментальный энергетический модуль мощностью 250 кВт с 5 двигателями Стирлинга, работающими на биогазе из городских твердых бытовых отходов. Испытания прошли успешно в течении 3 лет и в настоящее время принимается решение властями Китая о создании таких энергетических модулей на свалках твердых бытовых отходов всех городов Китая.

Рис. 7. Двигатель Стирлинга мощностью 50 кВт

Автономные энергетические установки с двигателями Стирлинга (стирлинг-генераторы) незаменимы в нефтегазовой промышленности при освоении новых месторождений, особенно в условиях Крайнего Севера и шельфа арктических морей, где нужна серьезная энерговооруженность разведочных, буровых, сварочных и других работ.

В этих условиях в качестве топлива можно будет использовать неочищенный природный газ, попутный нефтяной газ, добываемый совместно с нефтью, и газовый конденсат. Столь широкий спектр топлив делает стирлинг-генераторы универсальными источниками энергии. Таким образом, исчезает проблема с обеспечением энергией буровых скважин, вахтовых поселков, узлов связи и других автономных систем.

В настоящее время только в Российской Федерации ежегодно пропадает до 50 млрд. м3 попутного газа, который выходит вместе с нефтью. Собирать его сложно и дорого, использовать в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания нельзя из-за постоянно меняющегося фракционного состава, и чтобы газ не загрязнял атмосферу, он попросту сжигается. Однако этот газ может быть приемлемым моторным топливом для энергетических установок с двигателями Стирлинга.

По предварительным расчетам, стрилинг-генератор мощностью 100 кВт, работающий на природном или попутном нефтяном газе, сможет обеспечить электроэнергией и теплом вахтовый поселок газовиков, нефтяников или геологов численностью до 50 человек. Отпадает необходимость завозить топливо с материка и не наносить ущерб природе, поскольку минимизируются вредные выбросы.

Об экономической целесообразности серийного производства двигателей Стирлинга в Российской Федерации

В мировых обзорах по энергопреобразующей тех­нике, двигатель Стирлинга рассматривается как двигатель, обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки. Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ). В связи с этим, по сравнению с ДВС, в двигателях Стирлинга про­цесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает более равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двига­теля, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.

К сожалению, в России из-за общего экономического спада разработкой машин Стирлинга на государственном уровне никто не занимается, хотя до 1990 года исследования в этой области техники проводились в 15 организациях военно-промышленного комплекса.

Учитывая, что в настоящее время в России практически отсутствует серийное производство конкурентоспособных энергетических установок мощностью от 1 до 50 кВт, производство высокоэффективных и экологически чистых машин Стирлинга является наиболее перспективным направлением в развитии отечественного машиностроения. Проведенные маркетинговые исследования показывают, что емкость отечественного рынка энергетических установок данного мощностного ряда составляет до 60 тыс. установок в год. Основными областями применения энергетических установок с двигателями Стирлинга в Российской Федерации являются: когенерация с использованием местного топлива; автономные источники для нефтегазового комплекса, включая катодную защиту; автономные источники для ЖКХ населенных пунктов; использование бросовой теплоты отработанных газов котельных установок и транспортных средств; анаэробные установки и др.

Наиболее перспективным является серийное производство электрогенераторов небольшой мощности с модификацией двигателя Стирлинга под местное биотопливо: торф, отходы сельского хозяйства и ле­соперерабатывающей промышленности. Новая технология открывает широкие возможности для снабжения электроэнергией и теплом не газифицированных сельских районов, поселков, фермерских хозяйств, животноводческих ферм, птицефабрик и т.д. Она также поможет решить многие проблемы жилищно-коммунальных хозяйств городов.

Серийное производство двигателей Стирлинга позволит обеспечить загрузку оставшихся высокотехнологичных предприятий отечественного машиностроения, конверсию ряда оборонных предприятий страны, экспорт наукоемких технологий в области автономной энергетики. С учетом имеющегося более чем 40-летнего опыта серийного производства

Источник

Двигатель Стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы

Главная страница » Двигатель Стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы

Двигатели логично рассматривать продуктом промышленной революции. Первой «ласточкой» отметились паровые конструкции, работающие на угле. Следом появились более чистые и более эффективные бензиновые моторы. Самыми современные конструкции представляют уже реактивные двигатели. Основная концепция такой конструкции очевидна — разница между высокой и низкой температурой. Эта концепция фактически не изменилась за пару сотен лет, несмотря на достигнутые улучшения. Между тем, среди всего разнообразия существующих концепций привлекает внимание двигатель Стирлинга (автор Роберт Стирлинг 1816 год), напоминающий паровую систему, но не предполагающий использование пара. Рассмотрим подробнее эту конструкцию.

Идеальный двигатель – есть ли такой, в принципе?

Паровые, либо двигатели внутреннего сгорания, — оба типа используют тепловую энергию, благодаря которой газ расширяется, а затем охлаждается. Зависимостью разницы температур определяется эффективность конструкция двигателя. Теория работы идеального двигателя подкреплена наукой о термодинамике и теоретической моделью, демонстрирующей моменты:

Прежде чем рассматривать конструкцию двигателя Стирлинга, не лишним будет рассмотреть недостатки паровых двигателей. Понятно, что сформированный от нагрева воды пар движется по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где толкает поршень и приводит в движение колесо, связанное с поршнем.

Затем входной клапан закрывается и открывается выходной клапан. Импульс движения колеса заставляет поршень возвращаться в цилиндр и выталкивать охлажденный пар через дымовую (паровую) трубу.

Схема паровой системы: 1 – шток клапана; 2 – боковой клапан; 3 – вход пара высокого давления; 4 – выход пара; 5 – перекрёстная головка; 6 – направляющая крейцкопфа; 7 – поршневой шток; 8 – поршень; 9 — цилиндр

Конструкция парового двигателя далеко не идеальна. Во всяком случае, есть четыре очевидных недостатка.

Конструкция двигателя Стирлинга

Отмеченные выше недостатки, между тем, вполне допустимо устранить. Например, избавиться от котла (устраняя опасность взрыва), а также использовать тепло огня для непосредственного питания двигателя. Тогда, вместо того чтобы использовать пар для перемещения тепловой энергии, можно использовать обычный воздух (или другой газ) для перемещения тепловой энергии.

Читайте также:  Пежо 405 троит двигатель

Если поместить эту газовую составляющую внутрь закрытой трубы, и организовать движение взад и вперед снова и снова. Так можно получать энергию, исключив фактор постоянной подачи воды.

Наконец, есть смысл добавить в конструкцию теплообменник, чтобы энергию горячего газа удерживать внутри машины с последующим использованием повторно для повышения общей эффективности. Это и есть основные способы, которыми выделяется двигатель Стирлинга, как существенная модернизация паровой конструкции.

Существуют регенеративные тепловые двигатели Стирлинга замкнутого цикла, которые в целом соответствуют описанной выше концепции. Регенеративная конструкция указывает на использование теплообменников для сохранения части тепла, которое в противном случае теряется в каждом цикле.

Простота и сложность конструкции

Некоторыми инженерами двигатели Стирлинга видятся достаточно простым исполнением. Однако в реалии это достаточно сложные конструкции, работу которых объяснить сможет далеко не каждый инженер.

Схема двигателя Стирлинга (лабораторная): 1 – источник нагрева; 2 – «горячий» цилиндр; 3 – «вытеснитель»; 4 – эксцентрик; 5 – «холодный» цилиндр; 6 – рабочий поршень; 7 — эксцентрик

Существует множество различных конструкций двигателей Стирлинга. Однако здесь будет рассмотрен один конкретный тип исполнения, известный как «вытеснитель» (бета-двигатель Стирлинга). Исполнение характерно наличием следующих ключевых частей:

Источник тепла – любой энергетический ресурс, от сжигания угля, до тепла солнечного зеркала. Несмотря на тот факт, что двигатели Стирлинга описываются как устройства внешнего сгорания, фактически такие системы вообще не используют функцию сжигания топлива. Такому исполнению системы необходима только разница температур между источником тепла и радиатором.

По сути, допустимо управлять небольшим двигателем Стирлинга при помощи:

Энергия, которую выдаёт двигатель Стирлинга, формируется от любой разницы температур между источником тепла и радиатора. Между тем следует учитывать, что малый двигатель Стирлинга содержит лишь относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Газовая составляющая

Закрытый баллон внутри машины постоянно содержит некоторый объём газа. Газовой средой может быть:

При этом вещество остаётся в газообразном состоянии при нагревании и охлаждении в течение полного цикла двигателя. Единственная цель газовой составляющей — передача тепловой энергии от источника тепла к радиатору с последующим питанием поршня, который приводит машину в движение.

Радиаторная часть конструкции

Область, где горячий газ охлаждается, прежде чем возвращается к источнику тепла. Обычно конструкция радиатора представляет собой трубчатый металл, оснащённый ребристыми гранями, отводящими отработанное тепло в атмосферу.

Поршни рабочего цикла

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но практически все имеют два поршня. Этим двигатели Стирлинга отличаются от других конструкций. В классической конструкции, называемой альфа-двигателем Стирлинга, имеются два одинаковых поршня и цилиндра. Между этими деталями движутся газовые заслонки, которые нагреваются и расширяются, затем охлаждаются и сжимаются до повторения цикла.

Конструкция, называемая «вытесняющей» (бета-двигатель Стирлинга), имеет поршень, которым перемещается газ между источником тепла и радиатором. В отличие от обычного поршня парового двигателя, «вытеснитель» устанавливается свободно внутри цилиндра, благодаря чему газ обтекает поршень в моменты движения вперёд и назад.

Концепция «вытеснителя»: 1 – зона расширения; 2 – поршень «вытеснитель»; 3 – нагреватель; 4, 5 – рабочий газ (обычно воздух); 6 – область сжатия; 7 – рабочий поршень; 8 – охладитель; 9 – балансирующая масса; 10 — регенератор

Имеется также рабочий поршень, плотно прилегающий к цилиндру, превращающий расширение газа в полезную работу. Более крупные конструкции двигателей Стирлинга содержат рабочий поршень, как правило, имеющий тяжёлый маховик. Маховик способствует быстрому набору оборотов и обеспечивает бесперебойный рабочий процесс.

Рабочий поршень и поршень «вытеснителя» постоянно движутся, но не совпадают по фазе (отклонение фазы на 90°) один с другим. Поршни, между тем, приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень «вытеснителя» всегда на четверть цикла (90°) опережает в движении рабочий поршень.

Конструкция теплообменника двигателя Стерлинга

Теплообменник (регенератор) располагается в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, часть тепла отбирается металлом теплообменника и удерживается.

По мере возвращения газа назад, тепло вновь отбирается. Без регенератора отбираемое тепло было бы потеряно в атмосфере, то есть — потрачено впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга имеют несколько теплообменников.

Как работает двигатель Стирлинга по типу «вытеснитель»?

Аналогично паровому или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя серию основных операций – режим цикла.

Практически это выглядит процессом, когда газ попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках между этими фазами перемещается от горячей стороны цилиндра к холодной стороне и обратно.

Функция рабочего поршня заключается в использовании энергии расширения газа с передачей действия на привод двигателя. Затем газ сжимается, обеспечивая повторение цикла.

Функция поршня «вытеснителя» направлена на перемещение газа от горячей стороны к холодной стороне баллона и обратно. Работая тандемом, оба поршня обеспечивают многократное перемещение тепловой энергии от источника к радиатору (теплоотводящей системе). Соответственно, с последующим получением полезной механической работы.

Детальное описание функционала

Несмотря на то, что двигатель Стирлинга проходит цикл, заканчивающийся в точке, где начинался, имеет место несимметричный процесс. Энергия постоянно отводится от источника и откладывается в теплообменнике.

Очевидно, что горячий газ выполняет определенную работу с рабочим поршнем в момент расширения, но поршень при этом выполняет меньше работы, сжимая охлажденный газ и возвращая в начало пути.

Теоретическое обоснование полезности двигателя Стирлинга

Не исключаются скептические представления относительно слишком сложной конструкции. Спрашивается, для чего возиться с двумя поршнями, если можно создать простой паровой двигатель на одном? Какой смысл во всех этих отдельно взятых этапах? И нельзя ли сделать всё проще?

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:

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):

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.

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Явным преимуществом двигателя Стирлинга видится более выраженная эффективность по отношению к тем же паровым системам. Исключается необходимость котлов – опасных технологически конструкций, нет нужды запасать воду и создавать сложные системы открывания / закрывания клапанов.

Следует отметить: благодаря отсутствию сложных клапанных систем, двигатели Стирлинга работают тише паровых конструкций. Учитывая возможное применение энергии, получаемой не от источников сжигания топлива, эти конструкции относятся к экологически чистым системам. Поддерживается работа на всевозможных видах топлива.

Среди потенциальных недостатков можно отметить относительно медленный запуск. Обычно требуется время для прогрева теплообменника и маховика, чтобы разогнать систему до рабочей скорости.

Также достаточно сложно проходят процессы остановки. Конструкции требуют радиаторов больших габаритов для эффективного отвода тепла, чем несколько ограничивается применение в отдельных случаях.

Источник