Двигатель Стирлинга

Модель двигателя Стирлинга, демонстрирующая его простоту. В отличие от парового двигателя или двигателя внутреннего сгорания, он не имеет клапанов или газораспределительного механизма. Источник тепла (не показан) будет расположен под латунным цилиндром.

Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель , который приводится в действие за счет циклического расширения и сжатия воздуха или другого газа ( рабочего тела ) путем воздействия на него различных температур, что приводит к чистому преобразованию тепловой энергии в механическую работу .

Более конкретно, двигатель Стирлинга представляет собой регенеративный тепловой двигатель замкнутого цикла с постоянным газообразным рабочим телом. Замкнутый цикл в данном контексте означает термодинамическую систему , в которой рабочая жидкость постоянно содержится внутри системы. Регенеративный означает использование определенного типа внутреннего теплообменника и теплового аккумулятора, известного как регенератор . Строго говоря, именно включение регенератора отличает двигатель Стирлинга от других двигателей замкнутого цикла с горячим воздухом .

В двигателе Стирлинга рабочее тело (например, воздух) нагревается за счет энергии, поступающей извне внутреннего пространства двигателя (цилиндра). Когда жидкость расширяется, механическая работа совершается поршнем, который соединен с вытеснителем. Вытеснитель перемещает рабочую жидкость в другое место внутри двигателя, где она охлаждается, в результате чего в рабочем цилиндре создается частичный вакуум и происходит дополнительная механическая работа. Вытеснитель перемещает охлажденную жидкость обратно в горячую часть двигателя, и цикл продолжается.

Уникальной особенностью является регенератор, который действует как временный аккумулятор тепла, сохраняя тепло внутри машины, а не сбрасывая его в радиатор, тем самым повышая его эффективность.

Тепло подается снаружи, поэтому горячую зону двигателя можно нагреть любым внешним источником тепла. Аналогично, более холодная часть двигателя может поддерживаться внешним радиатором, например проточной водой или потоком воздуха. Газ постоянно удерживается в двигателе, что позволяет использовать газ с наиболее подходящими свойствами, например гелий или водород. Нет потоков впускных и выхлопных газов, поэтому машина практически бесшумна.

Машина является реверсивной, поэтому, если вал вращается с помощью внешнего источника энергии, по всей машине будет возникать разница температур; таким образом он действует как тепловой насос .

Двигатель Стирлинга был изобретен шотландцем Робертом Стирлингом. в 1816 году в качестве промышленного первичного двигателя, способного конкурировать с паровым двигателем , и его практическое использование на протяжении более столетия в основном ограничивалось домашними применениями малой мощности.

Современные инвестиции в возобновляемые источники энергии , особенно в солнечную энергию , привели к ее применению в концентрированной солнечной энергии и в качестве теплового насоса.

История

Иллюстрация из патентной заявки Роберта Стирлинга 1816 года на конструкцию воздушного двигателя, который позже стал известен как двигатель Стирлинга.

Ранние двигатели горячего воздуха

Роберт Стирлинг считается одним из отцов двигателей горячего воздуха, наряду с более ранними новаторами, такими как Гийом Амонтон , который построил первый работающий двигатель горячего воздуха в 1699 году.

Позже за Амонтоном последовал сэр Джордж Кэли . Этот тип двигателя был одним из тех, в которых огонь закрыт и питался воздухом, закачиваемым под решетку в достаточном количестве для поддержания горения, в то время как большая часть воздуха поступает над огнем, чтобы нагреваться и расширяться; все вместе с продуктами сгорания воздействует затем на поршень и проходит через рабочий цилиндр; и операция представляет собой только простое смешивание, не требуется нагревательная поверхность металла, а нагреваемый воздух приводится в непосредственный контакт с огнем.

Стирлинг изобрел первый воздушный двигатель в 1816 году. Принцип работы воздушного двигателя Стирлинга отличается от принципа работы сэра Джорджа Кэли (1807 г.), в котором воздух прогоняется через печь и выпускается, тогда как в двигателе Стирлинга воздух работает в замкнутом контуре. Именно этому изобретатель уделил большую часть своего внимания.

Двигатель мощностью 2 лошадиных силы (1,5 кВт), построенный в 1818 году для перекачки воды в эйрширском карьере, продолжал работать некоторое время, пока нерадивый обслуживающий персонал не допустил перегрева обогревателя. Этот эксперимент доказал изобретателю, что из-за полученного низкого рабочего давления двигатель можно было адаптировать только к малой мощности, на которую в то время не было спроса.

Патент Стирлинга 1816 г. речь шла также об « экономайзере », предшественнике регенератора. В этом патенте (№ 4081) он описывает технологию «экономайзера» и несколько применений, в которых такая технология может быть использована. В результате появилась новая конструкция двигателя с горячим воздухом.

Вместе со своим братом Джеймсом Стирлинг запатентовал второй двигатель горячего воздуха в 1827 году. Они перевернули конструкцию так, чтобы горячие концы вытеснителей находились под оборудованием, и добавили насос сжатого воздуха, чтобы давление воздуха внутри могло быть увеличено примерно до 20 стандартных атмосфер (2000 кПа).

Вскоре после этого (1828 г.) за братьями Стирлингами последовали Паркинсон и Кроссли. и Арнотт в 1829 году.

Эти предшественники, включая Ericsson, принесли в мир технологию горячего воздуха и ее огромные преимущества перед паровым двигателем. Каждый из них имел свою собственную технологию, и хотя двигатель Стирлинга и двигатель Паркинсона и Кроссли были очень похожи, Роберт Стирлинг отличился, изобретя регенератор.

Паркинсон и Кроссли ввели принцип использования воздуха большей плотности, чем плотность атмосферы, и таким образом получили двигатель большей мощности при том же компасе. Джеймс Стирлинг следовал той же идее, когда построил знаменитый двигатель Данди.

Патент Стирлинга 1827 года лег в основу третьего патента Стирлинга 1840 года. Изменения в патенте 1827 года были незначительными, но существенными, и этот третий патент привел к созданию двигателя Данди.

Джеймс Стирлинг представил свой двигатель Институту инженеров-строителей в 1845 году. первый двигатель такого типа, который после различных модификаций был эффективно сконструирован и нагрет, имел цилиндр диаметром 30 сантиметров (12 дюймов) с длиной хода 60 сантиметров (2 фута) и совершал 40 ходов или оборотов. в минуту (40 об/мин). Этот двигатель приводил в движение все оборудование на заводе Dundee Foundry Company в течение восьми или десяти месяцев, и ранее было обнаружено, что он способен поднимать 320 000 кг (700 000 фунтов) на 60 см (2 фута) в минуту, мощность примерно 16 киловатт (21 лошадиная сила). ). Считая эту мощность недостаточной для своих работ, литейная компания Данди установила второй двигатель с цилиндром диаметром 40 сантиметров (16 дюймов), ходом поршня 1,2 метра (4 фута) и совершающим 28 ходов в минуту. За время непрерывной работы этого двигателя более двух лет он не только самым удовлетворительным образом выполнил литейную работу, но и был испытан (фрикционным тормозом на третьем движителе) на подъем почти 687 тонн ( 1 500 000 фунтов ), примерно 34 киловатта (45 лошадиных сил).

Изобретение и раннее развитие

Двигатель Стирлинга (или воздушный двигатель Стирлинга, как его тогда называли) был изобретен и запатентован в 1816 году. Он последовал за более ранними попытками создания воздушного двигателя , но, вероятно, первым был применен на практике, когда в 1818 году двигатель, построенный Стирлингом, использовался для перекачки воды в карьере . Главным предметом первоначального патента Стирлинга был теплообменник, который он назвал « экономайзером » из-за повышения экономии топлива в различных приложениях. В патенте также подробно описано использование одной из форм экономайзера в его уникальной воздушного двигателя замкнутого цикла. конструкции в этом применении он теперь широко известен как « регенератор ». Последующие разработки Роберта Стирлинга и его брата Джеймса , инженера, привели к получению патентов на различные улучшенные конфигурации оригинального двигателя, включая наддув, который к 1843 году имел достаточно увеличенную выходную мощность, чтобы приводить в движение все оборудование на в Данди . чугунолитейном заводе

В документе, представленном Джеймсом Стирлингом в июне 1845 года Институту инженеров-строителей, говорилось, что его целью было не только сэкономить топливо, но и создать более безопасную альтернативу паровым двигателям того времени. чьи котлы часто взрывались, что приводило к многочисленным травмам и гибели людей. Однако это оспаривается.

Необходимость того, чтобы двигатели Стирлинга работали при очень высоких температурах для максимизации мощности и эффективности, выявила ограничения в материалах того времени, и несколько двигателей, построенных в те первые годы, выходили из строя неприемлемо часто (хотя и с гораздо менее катастрофическими последствиями, чем взрывы котлов). ). Например, литейный двигатель Данди был заменен паровым после трех отказов горячих цилиндров за четыре года.

Позже 19 век

Типичный водонасосный двигатель конца девятнадцатого - начала двадцатого века производства Rider-Ericsson Engine Company.

После замены литейного двигателя Данди нет никаких записей о том, что братья Стирлинги каким-либо образом участвовали в разработке воздушного двигателя, и двигатель Стирлинга больше никогда не конкурировал с паром в качестве источника энергии промышленного масштаба. (Паровые котлы становились более безопасными, например, паровой котел в Хартфорде. а паровые двигатели более эффективны, что делает их менее мишенью для конкурирующих тягачей). Однако примерно с 1860 года двигатели Стирлинга с горячим воздухом меньшего размера производились в значительных количествах для применений, в которых требовались надежные источники малой и средней мощности, таких как накачка воздуха для церковных органов или подъем воды. Эти меньшие по размеру двигатели обычно работали при более низких температурах, чтобы не облагать налогом доступные материалы, и поэтому были относительно неэффективными. Их преимуществом было то, что, в отличие от паровых двигателей, ими мог безопасно управлять любой, способный справиться с пожаром. В каталоге Rider-Ericsson Engine Co. 1906 года утверждалось, что «любой садовник или обычный домработник может управлять этими двигателями, и для этого не требуется никакого лицензированного или опытного инженера». Несколько типов оставались в производстве и после конца века, но, если не считать нескольких незначительных механических усовершенствований, конструкция двигателя Стирлинга в этот период в целом находилась в застое.

Возрождение 20-го века

Генератор Стирлинга Philips MP1002CA 1951 года.

В начале 20-го века роль двигателя Стирлинга как «отечественного двигателя» постепенно были вытеснены электродвигателями и небольшими двигателями внутреннего сгорания . К концу 1930-х годов о нем практически забыли, и его производили только для игрушек и нескольких небольших вентиляторов.

Примерно в то же время Philips стремилась расширить продажи своих радиоприемников в те части мира, где сетевое электричество и аккумуляторы не были постоянно доступны. Руководство Philips решило, что предложение портативного генератора малой мощности будет способствовать таким продажам, и попросило группу инженеров исследовательской лаборатории компании в Эйндховене оценить альтернативные способы достижения этой цели. После систематического сравнения различных первичных двигателей команда решила продолжить разработку двигателя Стирлинга, сославшись на его тихую работу (как слышимую, так и с точки зрения радиопомех) и способность работать на различных источниках тепла (обычное ламповое масло). дешево и доступно везде» – предпочтение). Они также знали, что, в отличие от паровых двигателей и двигателей внутреннего сгорания, по двигателю Стирлинга в течение многих лет практически не проводилось серьезных разработок, и утверждали, что современные материалы и ноу-хау должны позволить добиться значительных улучшений.

К 1951 году генераторная установка мощностью 180/200 Вт, получившая обозначение MP1002CA (известная как «комплект для бунгало»), была готова к производству, и планировалась первая партия в 250 штук, но вскоре стало ясно, что их невозможно производить по конкурентоспособной цене. Кроме того, появление транзисторных радиоприемников и их гораздо более низкие требования к мощности означало, что первоначальная причина использования этого набора исчезла. В конечном итоге было выпущено около 150 таких наборов. Некоторые из них попали на инженерные факультеты университетов и колледжей по всему миру, дав поколениям студентов ценное представление о двигателе Стирлинга; письмо от марта 1961 года от Research and Control Instruments Ltd. London WC1 Техническому колледжу Северного Девона, предлагающее «оставшиеся акции... таким учреждениям, как вы... по специальной цене в 75 фунтов стерлингов нетто».

Параллельно с набором «Бунгало» компания Philips разработала экспериментальные двигатели Стирлинга для широкого спектра применений и продолжала работать в этой области до конца 1970-х годов, но добилась коммерческого успеха только с криореохладителем «перевернутый двигатель Стирлинга» . Они зарегистрировали большое количество патентов и накопили огромное количество информации, которую передали по лицензии другим компаниям и которая легла в основу большей части разработок в современную эпоху.

В 1996 году ВМС Швеции приняли в строй три подводные лодки класса «Готланд» . На поверхности эти лодки приводятся в движение судовыми дизельными двигателями; однако при погружении они используют генератор Стирлинга, разработанный шведской судостроительной компанией Kockums, для подзарядки батарей и обеспечения электрической энергии для движения. Подача жидкого кислорода осуществляется для поддержки сжигания дизельного топлива для питания двигателя. Двигатели Стирлинга также устанавливаются на шведские подводные лодки класса Södermanland , подводные лодки класса Archer, находящиеся на вооружении в Сингапуре, и японские подводные лодки класса Sōryū , причем двигатели производятся по лицензии компанией Kawasaki Heavy Industries . Преимущество двигателя Стирлинга в подводных лодках заключается в том, что он работает исключительно тихо.

События 21 века

Дополнительная информация: Двигатель Стирлинга на солнечной энергии.

На рубеже 21 века двигатели Стирлинга использовались в тарелочной версии систем концентрированной солнечной энергии . Зеркальная тарелка, похожая на очень большую спутниковую тарелку, направляет и концентрирует солнечный свет на тепловой приемник, который поглощает и собирает тепло и с помощью жидкости передает его в двигатель Стирлинга. Полученная механическая энергия затем используется для запуска генератора или генератора переменного тока для производства электроэнергии.

Основным компонентом микрокомбинированных теплоэлектростанций (ТЭЦ) может быть двигатель с циклом Стирлинга, поскольку они более эффективны и безопасны, чем сопоставимый паровой двигатель. К 2003 году когенерационные установки начали коммерчески устанавливаться в бытовых целях, например, в домашних электрогенераторах.

В 2013 году была опубликована статья о законах масштабирования свободнопоршневых двигателей Стирлинга, основанных на шести характеристических безразмерных группах .

Название и классификация

Двигатель Стирлинга работает

Роберт Стирлинг запатентовал первый практический пример двигателя с горячим воздухом предложил, замкнутого цикла в 1816 году, а еще в 1884 году Флиминг Дженкин чтобы все такие двигатели в целом назывались двигателями Стирлинга. Это предложение по наименованию не нашло большого одобрения, и различные типы, представленные на рынке, продолжали называться по именам своих отдельных разработчиков или производителей, например, двигатель Райдера, Робинсона или (горячего) воздуха Хейнрици. В 1940-х годах компания Philips искала подходящее название для своей собственной версии «воздушного двигателя», который к тому времени уже испытывался с рабочими жидкостями, отличными от воздуха, и в апреле 1945 года остановила свой выбор на «двигателе Стирлинга». Однако почти тридцать лет спустя у Грэма Уокера все еще были причины оплакивать тот факт, что такие термины, как двигатель горячего воздуха, оставались взаимозаменяемыми с двигателем Стирлинга , который сам по себе применялся широко и без разбора. ситуация, которая продолжается.

Как и паровой двигатель, двигатель Стирлинга традиционно классифицируется как двигатель внешнего сгорания , поскольку вся передача тепла к рабочему телу и от него происходит через твердую границу (теплообменник), таким образом изолируя процесс сгорания и любые загрязнения, которые он может производить, от рабочие части двигателя. Это контрастирует с двигателем внутреннего сгорания , где подвод тепла происходит за счет сгорания топлива внутри тела рабочей жидкости. Большинство из многих возможных реализаций двигателя Стирлинга относятся к категории поршневых двигателей .

Теория

Основная статья: Цикл Стирлинга

График давления/объема идеализированного цикла Стирлинга.

Идеализированный цикл Стирлинга состоит из четырех термодинамических процессов, действующих на рабочее тело:

1. Изотермическое расширение . В пространстве расширения и связанном с ним теплообменнике поддерживается постоянная высокая температура, и газ подвергается почти изотермическому расширению, поглощая тепло от горячего источника.
2. постоянного объема (известный как изоволюметрический или изохорный Отвод тепла ). Газ пропускается через регенератор , где охлаждается, передавая тепло регенератору для использования в следующем цикле.
3. Изотермическое сжатие . В камере сжатия и соответствующем теплообменнике поддерживается постоянная низкая температура, поэтому газ подвергается почти изотермическому сжатию, отводя тепло в холодный сток.
4. при постоянном объеме (известное как изоволюметрическое или изохорное Присоединение тепла ). Газ проходит обратно через регенератор, где он восстанавливает большую часть тепла, переданного в процессе 2, нагреваясь на пути к расширительному пространству.

В идеальном, максимально эффективном двигателе Стирлинга для тепловых резервуаров отношение поступающего тепла к отходящему является эффективностью идеального цикла Карно. Это эффективность Карно, которая представляет собой отношение температур Кельвина холодного и горячего резервуара. В идеальном, максимально эффективном цикле Карно изохоры (постоянный объем) заменяются адиабатами (нет чистой теплопередачи, потому что нет теплопередачи). Для идеального цикла Стирлинга все тепло, поступающее на изохорном участке, где температура увеличивается, полностью выделяется на изохорном участке, где температура снижается (нет чистой теплопередачи).

Двигатель устроен таким образом, что рабочий газ обычно сжимается в более холодной части двигателя и расширяется в более горячей части, что приводит к чистому преобразованию тепла в работу . Внутренний регенеративный теплообменник увеличивает тепловой КПД двигателя Стирлинга по сравнению с более простыми двигателями с горячим воздухом, лишенными этой функции.

Двигатель Стирлинга использует разницу температур между горячим и холодным концом для создания цикла фиксированной массы газа, который нагревается и расширяется, охлаждается и сжимается, преобразуя таким образом тепловую энергию в механическую. Чем больше разница температур между горячим и холодным источниками, тем выше тепловой КПД. Максимальный теоретический КПД эквивалентен циклу Карно , но КПД реальных двигателей меньше этого значения из-за трения и других потерь.

Поскольку двигатель Стирлинга представляет собой замкнутый цикл, он содержит фиксированную массу газа, называемую «рабочим телом», чаще всего воздух , водород или гелий . При нормальной работе двигатель герметичен, газ не поступает и не выходит; клапаны не требуются, в отличие от других типов поршневых двигателей. Двигатель Стирлинга, как и большинство тепловых двигателей, выполняет четыре основных процесса: охлаждение, сжатие, нагрев и расширение. Это достигается путем перемещения газа вперед и назад между горячими и холодными теплообменниками , часто с использованием регенератора между нагревателем и охладителем. Горячий теплообменник находится в тепловом контакте с внешним источником тепла, например с топливной горелкой, а холодный теплообменник находится в тепловом контакте с внешним радиатором, например с воздушными ребрами. Изменение температуры газа вызывает соответствующее изменение давления газа, а движение поршня заставляет газ поочередно расширяться и сжиматься.

Газ следует поведению, описанному газовыми законами газа давление , температура и объем , которые описывают, как связаны . Когда газ нагревается, давление повышается (поскольку он находится в герметичной камере), и это давление затем воздействует на силовой поршень , вызывая рабочий ход. Когда газ охлаждается, давление падает, и это падение означает, что поршню приходится совершать меньше работы для сжатия газа на обратном ходе. Разница в работе между ходами дает чистую положительную выходную мощность.

Когда одна сторона поршня открыта в атмосферу, работа немного другая. Когда герметичный объем рабочего газа соприкасается с горячей стороной, он расширяется, совершая работу как над поршнем, так и над атмосферой. Когда рабочий газ контактирует с холодной стороной, его давление падает ниже атмосферного давления, и атмосфера давит на поршень и совершает работу над газом.

Компоненты

Схема в разрезе с ромбическим приводом : конструкции двигателя Стирлинга бета-конфигурации

  1: Стенка горячего цилиндра

  2: Стенка холодного цилиндра

  3: Впускные и выпускные трубы охлаждающей жидкости.

  4: Теплоизоляция, разделяющая два конца цилиндра.

  5: вытеснителя Поршень

  6: Силовой поршень

  7: Кривошип и маховики.

Не показано: источник тепла и радиаторы. В этой конструкции поршень-вытеснитель изготовлен без специального регенератора .

Вследствие работы замкнутого цикла тепло, приводящее в движение двигатель Стирлинга, должно передаваться от источника тепла к рабочему телу через теплообменники и, наконец, к радиатору . Система двигателя Стирлинга имеет как минимум один источник тепла, один радиатор и до пяти теплообменников. Некоторые типы могут сочетать некоторые из них или обходиться без них.

Источник тепла

Параболическое зеркало с точечной фокусировкой, двигателем Стирлинга в центре и солнечным трекером на Plataforma Solar de Almería (PSA) в Испании.

Источником тепла может быть сгорание топлива , и, поскольку продукты сгорания не смешиваются с рабочим телом и, следовательно, не вступают в контакт с внутренними частями двигателя, двигатель Стирлинга может работать на топливе, которое может привести к повреждению двигателя. внутренние компоненты двигателей других типов, такие как свалочный газ , который может содержать силоксан , который может откладывать абразивный диоксид кремния в обычных двигателях.

Другие подходящие источники тепла включают концентрированную солнечную энергию , геотермальную энергию , ядерную энергию , отходящее тепло и биоэнергию . Если в качестве источника тепла используется солнечная энергия, обычные солнечные зеркала можно использовать использование линз и зеркал Френеля , например, при исследовании поверхности планет. и солнечные тарелки. Также пропагандируется Двигатели Стирлинга на солнечной энергии становятся все более популярными, поскольку они предлагают экологически безопасный вариант производства электроэнергии, в то время как некоторые конструкции экономически привлекательны в проектах развития.

Теплообменники

Проектирование теплообменников двигателя Стирлинга — это баланс между высокой теплоотдачей с низкими вязкостными насосными потерями и малым мертвым пространством (неохваченным внутренним объемом). Двигатели, работающие при высоких мощностях и давлениях, требуют, чтобы теплообменники на горячей стороне были изготовлены из сплавов, сохраняющих значительную прочность при высоких температурах, не подверженных коррозии и ползучести .

В небольших двигателях малой мощности теплообменники могут просто состоять из стенок соответствующих горячей и холодной камер, но там, где требуется большая мощность, для передачи достаточного количества тепла требуется большая площадь поверхности. Типичными реализациями являются внутренние и внешние ребра или несколько трубок небольшого диаметра для горячей стороны и охладитель, использующий жидкость (например, воду) для холодной стороны.

Регенератор

Основная статья: Регенеративный теплообменник

В двигателе Стирлинга регенератор представляет собой внутренний теплообменник и временный накопитель тепла, расположенный между горячим и холодным пространством так, что рабочее тело проходит через него сначала в одном направлении, затем в другом, забирая тепло от жидкости в одном направлении и возвращая его. это в другом. Он может быть таким же простым, как металлическая сетка или пенопласт, и обладает большой площадью поверхности, высокой теплоемкостью, низкой проводимостью и низким трением потока. Его функция состоит в том, чтобы удерживать внутри системы то тепло, которое в противном случае обменивалось бы с окружающей средой при температурах, промежуточных между максимальной и минимальной температурами цикла. тем самым обеспечивая тепловой КПД цикла (хотя и не любого практического двигателя). ) для приближения к предельной эффективности Карно .

Основным эффектом регенерации в двигателе Стирлинга является повышение термического КПД за счет «рециркуляции» внутреннего тепла, которое в противном случае необратимо прошло бы через двигатель . В качестве вторичного эффекта повышение теплового КПД приводит к увеличению выходной мощности от данного набора теплообменников с горячим и холодным концом. Обычно они ограничивают теплоотдачу двигателя. На практике эта дополнительная мощность не может быть полностью реализована, поскольку дополнительное «мертвое пространство» (неохваченный объем) и насосные потери, присущие практическим регенераторам, снижают потенциальный прирост эффективности от регенерации.

Задача проектирования регенератора двигателя Стирлинга состоит в том, чтобы обеспечить достаточную теплопередачу без введения слишком большого дополнительного внутреннего объема («мертвого пространства») или сопротивления потоку. Эти внутренние противоречия конструкции являются одним из многих факторов, ограничивающих эффективность практических двигателей Стирлинга. Типичная конструкция представляет собой стопку мелких металлических проволочных сеток с низкой пористостью для уменьшения мертвого пространства и с осями проволоки, перпендикулярными потоку газа, чтобы уменьшить проводимость в этом направлении и максимизировать конвективную теплопередачу.

Регенератор является ключевым компонентом, изобретенным Робертом Стирлингом , и его наличие отличает настоящий двигатель Стирлинга от любого другого двигателя с горячим воздухом замкнутого цикла . Многие небольшие «игрушечные» двигатели Стирлинга, особенно типы с низкой разницей температур (LTD), не имеют отдельного регенераторного компонента и могут считаться двигателями с горячим воздухом; однако небольшая степень регенерации обеспечивается поверхностью самого вытеснителя и близлежащей стенкой цилиндра или, аналогичным образом, каналом, соединяющим горячий и холодный цилиндры двигателя с альфа-конфигурацией.

Радиатор

Чем больше разница температур между горячей и холодной секциями двигателя Стирлинга, тем выше КПД двигателя. Радиатором обычно является среда, в которой работает двигатель, при температуре окружающей среды. В случае двигателей средней и большой мощности необходим радиатор для передачи тепла от двигателя окружающему воздуху. Преимущество судовых двигателей заключается в использовании прохладной морской, озерной или речной воды, которая обычно холоднее окружающего воздуха. В случае комбинированных теплоэнергетических систем охлаждающая вода двигателя используется прямо или косвенно для отопления, что повышает эффективность.

Альтернативно, тепло может подаваться при температуре окружающей среды, а радиатор поддерживается при более низкой температуре, например, с помощью криогенной жидкости (см. «Экономика жидкого азота ») или ледяной воды.

Неудовольствие

Вытеснитель представляет собой поршень специального назначения , используемый в двигателях Стирлинга типа «Бета» и «Гамма» для перемещения рабочего газа туда и обратно между горячим и холодным теплообменниками. В зависимости от типа конструкции двигателя вытеснитель может быть герметично прикреплен к цилиндру, а может и не быть; т. е. он может свободно прилегать внутри цилиндра, позволяя рабочему газу проходить вокруг него по мере его движения, занимая часть цилиндра за его пределами. Двигатель типа «Альфа» имеет высокую нагрузку на горячую сторону, поэтому так мало изобретателей начали использовать для этой стороны гибридный поршень. Гибридный поршень имеет герметичную часть, как и обычный двигатель типа Alpha, но имеет соединенную с ним вытеснительную часть меньшего диаметра, как и цилиндр вокруг нее. Степень сжатия немного меньше, чем в оригинальных двигателях типа Alpha, но коэффициент нагрузки на герметичные детали довольно низкий.

Конфигурации

Три основных типа двигателей Стирлинга различаются по способу перемещения воздуха между горячими и холодными областями:

1. Альфа - конфигурация имеет два силовых поршня: один в горячем цилиндре, другой в холодном цилиндре, и газ перемещается между ними с помощью поршней; Обычно он имеет V-образную форму, при этом поршни соединены в одной точке коленчатого вала.
2. конфигурация Бета- имеет один цилиндр с горячим и холодным концами, содержащий силовой поршень и «вытеснитель», который перемещает газ между горячим и холодным концами. Обычно он используется с ромбическим приводом для достижения разности фаз между вытеснителем и силовыми поршнями, но их можно соединить со сдвигом по фазе на 90 градусов на коленчатом валу.
3. Гамма - конфигурация имеет два цилиндра: один содержит вытеснитель с горячим и холодным концом, а другой - для силового поршня; они соединены в единое пространство, поэтому давление в цилиндрах одинаковое; Поршни обычно расположены параллельно и соединены на коленчатом валу со сдвигом по фазе на 90 градусов.

Альфа

Двигатель Стирлинга типа «Альфа». Там два цилиндра. В цилиндре расширения (красный) поддерживается высокая температура, в то время как цилиндр сжатия (синий) охлаждается. В проходе между двумя цилиндрами находится регенератор.

Альфа-Стирлинг содержит два силовых поршня в отдельных цилиндрах: один горячий, другой холодный. Горячий цилиндр расположен внутри высокотемпературного теплообменника , а холодный цилиндр расположен внутри низкотемпературного теплообменника. Этот тип двигателя имеет высокое соотношение мощности к объему, но имеет технические проблемы из-за обычно высокой температуры горячего поршня и долговечности его уплотнений. На практике этот поршень обычно имеет большую изолирующую головку, позволяющую отодвинуть уплотнения от горячей зоны за счет некоторого дополнительного мертвого пространства. Угол поворота коленчатого вала оказывает большое влияние на эффективность, и лучший угол часто приходится находить экспериментально. Угол 90° часто блокируется.

Четырехэтапное описание процесса выглядит следующим образом:

1. Большая часть рабочего газа находится в горячем цилиндре и больше контактирует со стенками горячего цилиндра. Это приводит к общему нагреву газа. Его давление увеличивается, и газ расширяется. Поскольку горячий цилиндр имеет максимальный объем, а холодный цилиндр находится в середине хода (частичный объем), объем системы увеличивается за счет расширения в холодный цилиндр.
2. Система находится на максимальном объеме, и больше газа контактирует с холодным цилиндром. Это охлаждает газ, снижая его давление. Из-за импульса маховика или других поршневых пар на одном валу горячий цилиндр начинает ход вверх, уменьшая объем системы.
3. Почти весь газ теперь находится в холодном цилиндре, и охлаждение продолжается. Это продолжает снижать давление газа и вызывать сжатие. Поскольку горячий цилиндр имеет минимальный объем, а холодный цилиндр имеет максимальный объем, объем системы дополнительно уменьшается за счет сжатия холодного цилиндра внутрь.
4. Система имеет минимальный объем, и газ имеет больший контакт с горячим цилиндром. Объем системы увеличивается за счет расширения горячего цилиндра.

Бета

Двигатель Стирлинга бета-типа, имеющий только один цилиндр, горячий с одного конца и холодный с другого. Свободно установленный вытеснитель перенаправляет воздух между горячим и холодным концами цилиндра. Силовой поршень на открытом конце цилиндра приводит в движение маховик.

Бета-Стирлинг имеет один силовой поршень, расположенный в том же цилиндре на том же валу, что и поршень- вытеснитель . Поршень-вытеснитель имеет свободную посадку и не извлекает никакой энергии из расширяющегося газа, а служит только для перемещения рабочего газа между горячим и холодным теплообменниками. Когда рабочий газ подается к горячему концу цилиндра, он расширяется и толкает силовой поршень. Когда его подталкивают к холодному концу цилиндра, он сжимается, и импульс машины, обычно усиливаемый маховиком , толкает силовой поршень в другую сторону, чтобы сжать газ. В отличие от типа альфа, тип бета позволяет избежать технических проблем, связанных с горячим перемещением уплотнений, поскольку силовой поршень не контактирует с горячим газом.

1. Силовой поршень (темно-серый) сжал газ, поршень-вытеснитель (светло-серый) переместился так, что большая часть газа оказалась рядом с горячим теплообменником.
2. Нагретый газ увеличивает давление и толкает силовой поршень к самому дальнему пределу рабочего хода.
3. Поршень вытеснителя теперь движется, перенаправляя газ к холодному концу цилиндра.
4. Охлажденный газ теперь сжимается импульсом маховика. На это уходит меньше энергии, так как при охлаждении его давление падает.

Другие типы

Вид сверху на два вращающихся вытеснителя, приводящих в действие горизонтальный поршень. Регенераторы и радиатор сняты для наглядности.

Другие конфигурации Стирлинга продолжают интересовать инженеров и изобретателей.

• Роторный двигатель Стирлинга преобразует мощность цикла Стирлинга непосредственно в крутящий момент, подобно роторному двигателю внутреннего сгорания . Ни один практический двигатель еще не создан, но был создан ряд концепций, моделей и патентов, таких как квазитурбинный двигатель.
• Гибрид поршневой и роторной конфигурации представляет собой двигатель двойного действия. Эта конструкция вращает вытеснители по обе стороны от силового поршня. Помимо обеспечения большого разнообразия конструкции зоны теплопередачи, такая компоновка исключает все, кроме одного внешнего уплотнения на выходном валу и одного внутреннего уплотнения на поршне. Кроме того, обе стороны могут находиться под сильным давлением, поскольку они балансируют друг против друга.
• Другой альтернативой является двигатель Fluidyne (или тепловой насос Fluidyne), в котором для реализации цикла Стирлинга используются гидравлические поршни . Работа, производимая двигателем Fluidyne, идет на перекачку жидкости. В простейшем виде двигатель содержит рабочий газ, жидкость и два обратных клапана.
• Концепция двигателя Рингбома , опубликованная в 1907 году, не имеет поворотного механизма или рычажного механизма для вытеснителя. Вместо этого он приводится в движение небольшим вспомогательным поршнем, обычно толстым штоком-вытеснителем, движение которого ограничивается упорами.
• Инженер Энди Росс изобрел двухцилиндровый двигатель Стирлинга (расположенный под углом 0°, а не 90°), соединенный с помощью специального хомута.
• Двигатель Франшо — двигатель двойного действия, изобретенный Шарлем-Луи-Феликсом Франшо в девятнадцатом веке. В двигателе двойного действия давление рабочей жидкости действует на обе стороны поршня. Двигатель Франшо, одна из простейших форм машины двойного действия, состоит из двух поршней и двух цилиндров и действует как две отдельные альфа-машины. В двигателе Франшо каждый поршень работает в двух газовых фазах, что обеспечивает более эффективное использование механических компонентов, чем в альфа-машине одностороннего действия. Однако недостатком этой машины является то, что один шатун должен иметь скользящее уплотнение на горячей стороне двигателя, что затруднительно при работе с высокими давлениями и температурами.

Свободнопоршневые двигатели

Различные конфигурации Стирлинга со свободным поршнем... F. «свободный цилиндр», G. Флюидайн, H. Стирлинг «двойного действия» (обычно 4 цилиндра).

Свободнопоршневые двигатели Стирлинга включают двигатели с жидкостными поршнями и двигатели с диафрагмами в качестве поршней. В устройстве со свободным поршнем энергия может добавляться или удаляться с помощью электрического линейного генератора переменного тока , насоса или другого коаксиального устройства. Это позволяет избежать необходимости в соединении и уменьшает количество движущихся частей. В некоторых конструкциях трение и износ практически исключены за счет использования бесконтактных газовых подшипников или очень точной подвески с помощью плоских пружин .

Четыре основных этапа в цикле свободнопоршневого двигателя Стирлинга:

1. Силовой поршень выталкивается наружу расширяющимся газом, совершая таким образом работу. Гравитация не играет никакой роли в цикле.
2. Объем газа в двигателе увеличивается и, следовательно, давление снижается, что приводит к тому, что разница давлений на стержне буйка заставляет буйк двигаться к горячему концу. Когда вытеснитель движется, поршень практически неподвижен и, следовательно, объем газа практически постоянен. Этот этап приводит к процессу охлаждения постоянного объема, что снижает давление газа.
3. Пониженное давление теперь останавливает движение поршня наружу, и он снова начинает ускоряться в направлении горячего конца и по собственной инерции сжимает теперь уже холодный газ, который в основном находится в холодном пространстве.
4. По мере увеличения давления достигается точка, в которой перепад давления на стержне-буйке становится достаточно большим, чтобы начать подталкивать стержень-вытеснитель (а, следовательно, и вытеснитель) к поршню и тем самым сжимать холодное пространство и переносить холодный сжатый газ. к горячей стороне при почти постоянном объеме. Когда газ поступает на горячую сторону, давление увеличивается и поршень начинает перемещаться наружу, инициируя этап расширения, как описано в (1).

В начале 1960-х годов Уильям Т. Бил из Университета Огайо, расположенного в Афинах, штат Огайо, изобрел версию двигателя Стирлинга со свободным поршнем, чтобы преодолеть трудности со смазкой кривошипно-шатунного механизма. Хотя изобретение основного двигателя Стирлинга со свободным поршнем обычно приписывают Билю, независимые изобретения аналогичных типов двигателей были сделаны Э. Х. Куком-Ярборо и К. Уэстом в лабораториях Харвелла британской AERE . ГМ Бенсон также внес важный вклад и запатентовал множество новых конфигураций свободного поршня.

Первое известное упоминание о машине Стирлинга, использующей свободно движущиеся компоненты, - это британский патент, раскрытый в 1876 году. Эта машина была задумана как холодильник (т.е. обратный цикл Стирлинга). Первым потребительским товаром, в котором использовалось устройство Стирлинга со свободным поршнем, был портативный холодильник, произведенный японской корпорацией Twinbird и предложенный в США компанией Coleman в 2004 году.

Плоские двигатели

Разрез плоского двигателя Стирлинга: 10: Горячий цилиндр. 11: Объем горячего цилиндра. 12: Объем B горячего цилиндра. 17: Теплая поршневая диафрагма. 18: Теплоноситель. 19: Шток поршня. 20: Холодный цилиндр. 21: Объем холодного цилиндра. 22: B Объем холодного цилиндра. 27: Диафрагма холодного поршня. 28: Охлаждающая среда. 30: Рабочий цилиндр. 31: Объем рабочего цилиндра. 32: Объем рабочего цилиндра B. 37: Рабочая поршневая диафрагма. 41: Регенератор массы объёма А. 42: Масса регенератора объёма B. 48: Теплоаккумулятор. 50: Теплоизоляция. 60: Генератор. 63: Магнитная цепь. 64: Электрическая обмотка. 70: Канал, соединяющий теплый и рабочий цилиндры.

Конструкция плоского двигателя Стирлинга двойного действия решает вопрос привода вытеснителя за счет того, что площади горячих и холодных поршней вытеснителя различны.

Привод делает это без какой-либо механической передачи. Использование диафрагм устраняет трение и необходимость использования смазочных материалов.

При движении вытеснителя генератор удерживает рабочий поршень в предельном положении, что приближает рабочий цикл двигателя к идеальному циклу Стирлинга. Соотношение площади теплообменников к объему машины увеличивается за счет реализации плоской конструкции.

Плоская конструкция рабочего цилиндра приближает тепловой процесс расширения и сжатия к изотермическому.

Недостатком является большая площадь теплоизоляции между горячим и холодным пространством.

Термоакустический цикл

Термоакустические устройства сильно отличаются от устройств Стирлинга, хотя индивидуальный путь, пройденный каждой молекулой рабочего газа, действительно соответствует реальному циклу Стирлинга . К таким устройствам относятся термоакустический двигатель и термоакустический холодильник . акустические волны высокой амплитуды Стоячие вызывают сжатие и расширение, аналогично энергетическому поршню Стирлинга, в то время как противофазные акустические бегущие волны вызывают смещение по температурному градиенту , аналогично поршню-вытеснителю Стирлинга. Таким образом, термоакустическое устройство обычно не имеет вытеснителя, как в бета- или гамма-вытеснителях Стирлинга.

Другие разработки

НАСА рассматривало возможность использования двигателей Стирлинга с подогревом ядерного распада для расширенных миссий во внешнюю Солнечную систему. В 2018 году НАСА и Министерство энергетики США объявили, что они успешно испытали новый тип ядерного реактора под названием KRUSTY , что означает «киломощный реактор, использующий технологию Стирлинга», и который предназначен для питания космических аппаратов и зонды, а также экзопланетные лагеря.

На выставке Cable-Tec Expo 2012, организованной Обществом инженеров кабельной телекоммуникации, Дин Кеймен вышел на сцену вместе с техническим директором Time Warner Cable Майком ЛаДжой, чтобы объявить о новой инициативе между его компанией Deka Research и SCTE. Кеймен называет его двигателем Стирлинга.

Эксплуатационные соображения

Продолжительность: 9 секунд. 0:09

Видео, демонстрирующее работу компрессора и вытеснителя очень маленького двигателя Стирлинга.

Размер и температура

Созданы двигатели очень малой мощности, работающие при разнице температур всего 0,5 К. Двигатель Стирлинга вытеснительного типа имеет один поршень и один вытеснитель. Для работы двигателя необходима разница температур между верхней и нижней частью большого цилиндра. В случае двигателя Стирлинга с низкой разницей температур (LTD) разница температур между рукой и окружающим воздухом может быть достаточной для запуска двигателя. Силовой поршень в двигателе Стирлинга вытеснительного типа герметично закрыт и может перемещаться вверх и вниз по мере расширения газа внутри. С другой стороны, вытеснитель установлен очень свободно, поэтому воздух может свободно перемещаться между горячей и холодной секциями двигателя при движении поршня вверх и вниз. Буек перемещается вверх и вниз, вызывая либо нагрев, либо охлаждение большей части газа в цилиндре буйка.

Двигатели Стирлинга, особенно те, которые работают при небольших перепадах температур, довольно велики по количеству вырабатываемой мощности (т. е. имеют низкую удельную мощность ). Это связано, прежде всего, с коэффициентом теплопередачи газовой конвекции, который ограничивает тепловой поток , которого можно достичь в типичном холодном теплообменнике, примерно до 500 Вт/(м2). ² ·К), а в горячем теплообменнике примерно до 500–5000 Вт/(м ² ·К). По сравнению с двигателями внутреннего сгорания это усложняет задачу разработчикам двигателей по передаче тепла в рабочий газ и из него. Из-за термического КПД требуемая теплопередача увеличивается с уменьшением разницы температур, а поверхность теплообменника (и стоимость) для мощности 1 кВт растет с ростом (1/ΔT) ² . Поэтому удельная стоимость двигателей с очень низким перепадом температур очень высока. Увеличение перепада температур и/или давления позволяет двигателям Стирлинга производить больше мощности, при условии, что теплообменники рассчитаны на повышенную тепловую нагрузку и могут обеспечить необходимый конвекционный тепловой поток.

Двигатель Стирлинга не может запуститься мгновенно; ему буквально нужно «разогреться». Это справедливо для всех двигателей внешнего сгорания, но время прогрева у Стирлингов может быть больше, чем у других двигателей этого типа, таких как паровые двигатели . Двигатели Стирлинга лучше всего использовать в качестве двигателей с постоянной скоростью.

Выходная мощность Стирлинга имеет тенденцию быть постоянной, и для ее регулировки иногда может потребоваться тщательное проектирование и использование дополнительных механизмов. Обычно изменения мощности достигаются путем изменения объема двигателя (часто за счет использования механизма перекоса коленчатого вала ), или путем изменения количества рабочей жидкости, или путем изменения фазового угла поршня/вытеснителя, а в некоторых случаях просто за счет изменения мощности. изменение нагрузки на двигатель. Это свойство является меньшим недостатком в гибридных электрических силовых установках или выработке электроэнергии с «базовой нагрузкой», где действительно желательна постоянная выходная мощность.

Выбор газа

Продолжительность: 9 секунд. 0:09

Видео настольного двигателя Стирлинга, демонстрирующего скорость и мощность.

Используемый газ должен иметь низкую теплоемкость , чтобы данное количество передаваемого тепла приводило к значительному увеличению давления. Учитывая этот вопрос, лучшим газом будет гелий из-за его очень низкой теплоемкости. Воздух является жизнеспособным рабочим телом, но кислород в воздушном двигателе под высоким давлением может стать причиной несчастных случаев со смертельным исходом, вызванных взрывами смазочного масла. После одной из таких аварий компания Philips стала пионером в использовании других газов, чтобы избежать риска взрывов.

• водорода Низкая вязкость и высокая теплопроводность делают его самым мощным рабочим газом, прежде всего потому, что двигатель может работать быстрее, чем с другими газами. Однако из-за абсорбции водорода и учитывая высокую скорость диффузии, связанную с этим низкомолекулярным газом , особенно при высоких температурах, H ₂ просачивается через твердый металл нагревателя. Диффузия через углеродистую сталь слишком высока, чтобы быть практичной, но может быть приемлемо низкой для таких металлов, как алюминий или даже нержавеющая сталь . Определенная керамика также значительно уменьшает диффузию. Герметичные уплотнения сосудов высокого давления необходимы для поддержания давления внутри двигателя без возмещения потерянного газа. Для двигателей с высоким перепадом температур (ВТД) могут потребоваться вспомогательные системы для поддержания высокого давления рабочей жидкости. Эти системы могут представлять собой баллон для хранения газа или газогенератор. Водород может быть получен электролизом воды, действием пара на раскаленное углеродное топливо, газификацией углеводородного топлива или реакцией кислота на металл. Водород также может вызывать охрупчивание металлов. Водород — это легковоспламеняющийся газ, выброс которого из двигателя представляет угрозу безопасности.
• В большинстве технически продвинутых двигателей Стирлинга, например, разработанных для правительственных лабораторий США, в качестве рабочего газа используется гелий , поскольку его эффективность и удельная мощность близки к водороду, но при этом меньше проблем с удержанием материала. Гелий инертен и, следовательно, не воспламеняется. Гелий относительно дорог, и его необходимо поставлять в виде баллонного газа. Одно испытание показало, что водород на 5% (абсолютно) более эффективен, чем гелий (относительно 24%) в двигателе Стирлинга ГПА-3. Исследователь Аллан Орган продемонстрировал, что хорошо спроектированный воздушный двигатель теоретически столь же эффективен, как гелиевый или водородный двигатель, но гелиевые и водородные двигатели в несколько раз мощнее на единицу объема .
• используется воздух или азот В некоторых двигателях в качестве рабочей жидкости . Эти газы имеют гораздо меньшую удельную мощность (что увеличивает стоимость двигателя), но они более удобны в использовании и сводят к минимуму проблемы удержания и подачи газа (что снижает затраты). Использование сжатого воздуха создает опасность взрыва, поскольку сжатый воздух содержит высокое парциальное давление кислорода в контакте с легковоспламеняющимися материалами или веществами, такими как смазочное масло , . Однако кислород можно удалить из воздуха посредством реакции окисления или использовать баллонный азот, который практически инертен и очень безопасен.
• Другие возможные газы легче воздуха включают метан и аммиак .

Наддув

В большинстве мощных двигателей Стирлинга как минимальное давление, так и среднее давление рабочего тела выше атмосферного давления. Это первоначальное повышение давления в двигателе может быть реализовано с помощью насоса, или путем заполнения двигателя из баллона со сжатым газом, или даже просто путем герметизации двигателя, когда средняя температура ниже средней рабочей температуры . Все эти методы увеличивают массу рабочего тела в термодинамическом цикле. Все теплообменники должны иметь соответствующие размеры, чтобы обеспечить необходимую скорость теплопередачи. Если теплообменники хорошо спроектированы и могут обеспечить тепловой поток, необходимый для конвективной теплопередачи , то двигатель в первом приближении вырабатывает мощность пропорционально среднему давлению, как предсказывают числа Уэста и числа Била . На практике максимальное давление также ограничивается безопасным давлением сосуда под давлением . Как и большинство аспектов проектирования двигателя Стирлинга, оптимизация является многовариантной и часто имеет противоречивые требования. Трудность создания давления заключается в том, что, хотя оно и повышает мощность, требуемое тепло увеличивается пропорционально увеличению мощности. Эта передача тепла становится все более сложной из-за повышения давления, поскольку повышенное давление также требует увеличения толщины стенок двигателя, что, в свою очередь, увеличивает сопротивление теплопередаче.

Смазки и трение

Современный двигатель Стирлинга и генераторная установка электрической мощностью 55 кВт для комбинированного производства тепла и электроэнергии.

При высоких температурах и давлениях кислород в картерах, находящихся под давлением воздуха, или в рабочем газе двигателей с горячим воздухом может соединиться со смазочным маслом двигателя и взорваться. В результате такого взрыва погиб как минимум один человек. Смазочные материалы также могут засорить теплообменники, особенно регенератор. По этим причинам конструкторы предпочитают несмазанные материалы с низким коэффициентом трения (такие как рулон или графит ) с низкими нормальными силами на движущихся частях, особенно для скользящих уплотнений. В некоторых конструкциях поверхности скольжения вообще исключаются за счет использования диафрагм для герметичных поршней. Это некоторые из факторов, которые позволяют двигателям Стирлинга иметь меньшие требования к техническому обслуживанию и более длительный срок службы, чем двигатели внутреннего сгорания.

Эффективность

Теоретический тепловой КПД равен КПД идеального цикла Карно , то есть наивысшему КПД, достижимому для любого теплового двигателя. Однако, хотя это полезно для иллюстрации общих принципов, практические двигатели Стирлинга существенно отклоняются от идеала. Утверждалось, что его неразборчивое использование во многих стандартных книгах по инженерной термодинамике оказало плохую услугу изучению двигателей Стирлинга в целом.

Двигатели Стирлинга не могут достичь полного КПД, типичного для двигателя внутреннего сгорания , поскольку основным ограничением является тепловой КПД. Во время внутреннего сгорания температура достигает около 1500–1600 °C в течение короткого периода времени, что приводит к более высокой средней температуре подвода тепла в термодинамическом цикле, чем мог бы достичь любой двигатель Стирлинга. Невозможно передать тепло при столь высоких температурах за счет теплопроводности, как это делается в двигателях Стирлинга, потому что ни один материал не может проводить тепло от сгорания при такой высокой температуре без огромных тепловых потерь и проблем, связанных с тепловой деформацией материалов.

Двигатели Стирлинга способны работать бесшумно и могут использовать практически любой источник тепла. Источник тепловой энергии генерируется вне двигателя Стирлинга, а не за счет внутреннего сгорания, как в двигателях с циклом Отто или дизельным циклом . Этот тип двигателя в настоящее время вызывает интерес в качестве основного компонента микрокомбинированных теплоэлектростанций (ТЭЦ), в которых он более эффективен и безопасен, чем сопоставимый паровой двигатель. Однако у него низкое соотношение мощности к весу . что делает его более подходящим для использования в статических установках, где пространство и вес не имеют большого значения.

Другие реальные проблемы снижают эффективность реальных двигателей из-за ограничений конвективной теплопередачи и вязкого потока (трения). Существуют также практические, механические соображения: например, простая кинематическая связь может быть предпочтительнее более сложного механизма, необходимого для воспроизведения идеализированного цикла, а также ограничений, налагаемых доступными материалами, такими как неидеальные свойства рабочего газа, теплопроводность и т. д . предел прочности на разрыв , ползучесть , прочность на разрыв и температура плавления . Часто возникает вопрос: является ли идеальный цикл с изотермическим расширением и сжатием правильным идеальным циклом, применимым к двигателю Стирлинга? Профессор С. Дж. Раллис отметил, что очень трудно представить себе какие-либо условия, при которых пространства расширения и сжатия могут приближаться к изотермическому поведению, и гораздо более реалистично представить эти пространства как адиабатические . Идеальный анализ, при котором пространства расширения и сжатия считаются адиабатическими с изотермическими теплообменниками и идеальной регенерацией, был проанализирован Раллисом и представлен как лучший идеальный критерий для машин Стирлинга. Он назвал этот цикл «псевдоциклом Стирлинга» или «идеальным адиабатическим циклом Стирлинга». Важным следствием этого идеального цикла является то, что он не предсказывает эффективность Карно. Еще один вывод этого идеального цикла заключается в том, что максимальная эффективность достигается при более низких степенях сжатия, что характерно для реальных машин. В независимой работе Т. Финкельштейн также предположил адиабатические пространства расширения и сжатия в своем анализе машины Стирлинга.

Идеальный цикл Стирлинга недостижим в реальном мире, как и любой тепловой двигатель. Эффективность машин Стирлинга также связана с температурой окружающей среды: более высокий КПД достигается в более прохладную погоду, что делает этот тип двигателя менее привлекательным в местах с более теплым климатом. Как и другие двигатели внешнего сгорания, двигатели Стирлинга могут использовать источники тепла, отличные от сгорания топлива. Например, различные конструкции двигателей Стирлинга, работающих на солнечной энергии разработаны .

Сравнение с двигателями внутреннего сгорания

В отличие от двигателей внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга могут легче использовать возобновляемые источники тепла , работать тише и надежнее при меньших затратах на техническое обслуживание. Они предпочтительнее для приложений, которые ценят эти уникальные преимущества, особенно если стоимость единицы произведенной энергии более важна, чем капитальные затраты на единицу мощности. Исходя из этого, двигатели Стирлинга конкурентоспособны по цене примерно до 100 кВт.

По сравнению с двигателем внутреннего сгорания той же мощности двигатели Стирлинга в настоящее время имеют более высокие капитальные затраты и обычно больше и тяжелее. Однако они более эффективны, чем большинство двигателей внутреннего сгорания. Их более низкие требования к техническому обслуживанию делают общие затраты на электроэнергию сопоставимыми. Термический КПД также сопоставим (для небольших двигателей) и составляет от 15% до 30%. Для таких применений, как микро-ТЭЦ , двигатель Стирлинга часто предпочтительнее двигателя внутреннего сгорания. Другие области применения включают перекачку воды , космонавтику и производство электроэнергии из многочисленных источников энергии, несовместимых с двигателем внутреннего сгорания, таких как солнечная энергия, а также биомассы , такой как сельскохозяйственные отходы , и других отходов , таких как бытовой мусор. Однако двигатели Стирлинга, как правило, не конкурентоспособны по цене в качестве автомобильного двигателя из-за высокой стоимости единицы мощности и низкой удельной мощности .

Базовый анализ основан на анализе Шмидта в закрытой форме.

К преимуществам двигателей Стирлинга по сравнению с двигателями внутреннего сгорания относятся:

• Двигатели Стирлинга могут работать непосредственно на любом доступном источнике тепла, а не только на источнике сгорания, поэтому они могут работать на тепле солнечных, геотермальных, биологических, ядерных источников или на отходящем тепле промышленных процессов.
• Для подачи тепла можно использовать процесс непрерывного сгорания, поэтому можно уменьшить выбросы, связанные с прерывистыми процессами сгорания в поршневом двигателе внутреннего сгорания.
• Некоторые типы двигателей Стирлинга имеют подшипники и уплотнения на холодной стороне двигателя, где они требуют меньше смазки и служат дольше, чем эквиваленты на других типах поршневых двигателей.
• Механизмы двигателя в некотором смысле проще, чем у других типов поршневых двигателей. Никаких клапанов не требуется, а система горелок может быть относительно простой. Сырые двигатели Стирлинга можно изготовить из обычных бытовых материалов.
• В двигателе Стирлинга используется однофазная рабочая жидкость, которая поддерживает внутреннее давление, близкое к расчетному, и, таким образом, для правильно спроектированной системы риск взрыва невелик. Для сравнения, в паровом двигателе используется двухфазная газожидкостная рабочая жидкость, поэтому неисправный клапан сброса избыточного давления может вызвать взрыв.
• В некоторых случаях низкое рабочее давление позволяет использовать облегченные баллоны.
• Их можно сконструировать для бесшумной работы без подачи воздуха для использования на подводных лодках с независимыми от воздуха двигателями .
• Они легко запускаются (хотя и медленно, после прогрева) и эффективнее работают на морозе, в отличие от внутреннего сгорания, которое в теплое время запускается быстро, а в холодное – нет.
• Двигатель Стирлинга, используемый для перекачки воды, может быть сконфигурирован таким образом, чтобы вода охлаждала пространство сжатия. Это повышает эффективность при перекачке холодной воды.
• Они чрезвычайно гибки. Их можно использовать как ТЭЦ ( комбинированное производство тепла и электроэнергии ) зимой и как охладители летом.
• Отходящее тепло легко утилизировать (по сравнению с отходящим теплом от двигателя внутреннего сгорания), что делает двигатели Стирлинга полезными для теплоэнергетических систем с двойным выходом.
• В 1986 году НАСА построило автомобильный двигатель Стирлинга и установило его на Chevrolet Celebrity . Экономия топлива была улучшена на 45%, а выбросы значительно сократились. Ускорение (мощность) было эквивалентно стандартному двигателю внутреннего сгорания. Этот двигатель, получивший обозначение Mod II, также сводит на нет аргументы о том, что двигатели Стирлинга тяжелы, дороги, ненадежны и демонстрируют низкую производительность. Катализатор, глушитель и частая замена масла не требуются.

К недостаткам двигателей Стирлинга по сравнению с двигателями внутреннего сгорания относятся:

• В конструкциях двигателей Стирлинга требуются теплообменники для подвода тепла и вывода тепла, и они должны выдерживать давление рабочей жидкости, причем давление пропорционально выходной мощности двигателя. Кроме того, теплообменник на стороне расширения часто находится при очень высокой температуре, поэтому материалы должны противостоять коррозионному воздействию источника тепла и иметь низкую ползучесть . Обычно эти требования к материалам существенно увеличивают стоимость двигателя. Затраты на материалы и сборку высокотемпературного теплообменника обычно составляют 40% от общей стоимости двигателя.
• Все термодинамические циклы требуют больших перепадов температур для эффективной работы. В двигателе внешнего сгорания температура нагревателя всегда равна температуре расширения или превышает ее. Это означает, что металлургические требования к материалу нагревателя очень высоки. Это похоже на газовую турбину , но отличается от двигателя Отто или дизельного двигателя , где температура расширения может значительно превышать металлургический предел материалов двигателя, поскольку входной источник тепла не проходит через двигатель, поэтому материалы двигателя работать ближе к средней температуре рабочего газа.
• Цикл Стирлинга на самом деле недостижим; реальный цикл в машинах Стирлинга менее эффективен, чем теоретический цикл Стирлинга. Эффективность цикла Стирлинга ниже при мягких температурах окружающей среды, тогда как наилучшие результаты он даст в прохладной среде, например, зимой в северных странах.
• Рассеивание отработанного тепла особенно затруднено, поскольку температура охлаждающей жидкости поддерживается как можно более низкой для максимизации теплового КПД. Это увеличивает размер радиаторов, что может затруднить упаковку. Наряду со стоимостью материалов, это было одним из факторов, ограничивающих использование двигателей Стирлинга в качестве тягачей в автомобилестроении. Для других применений, таких как судовые двигательные установки и стационарные микрогенерации системы , использующие комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ), высокая плотность мощности не требуется.

Приложения

Основная статья: Применение двигателя Стирлинга

Блюдо Стирлинга от SES

Область применения двигателя Стирлинга варьируется от отопления и охлаждения до подводных энергетических систем. Двигатель Стирлинга может работать наоборот как тепловой насос для отопления или охлаждения. Другие области применения включают комбинированное производство тепла и электроэнергии, производство солнечной энергии, криорефрижераторы Стирлинга, тепловые насосы, морские двигатели, авиационные двигатели малой мощности, и двигатели с низким перепадом температур.

См. также

• Отверстие
• Стоимость электроэнергии по источникам
• Распределенная генерация
• Джон Эрикссон
• Число Шмидта#Двигатели Стирлинга
• Гладить
• Термомеханический генератор
• Фрэнсис Герберт Уэнам

Общие и цитируемые ссылки

• Э. Х. Кук-Ярборо; Э. Франклин; Дж. Гейсов; Р. Хоулетт; Компакт-диск Вест (1974). «Термомеханический генератор Харвелла». Материалы 9-го IECEC . Сан-Франциско: Американское общество инженеров-механиков. стр. 1132–1136. Бибкод : 1974iece.conf.1132C .
• Э. Х. Кук-Ярборо (1970). «Тепловые двигатели», патент США 3548589 . Выдано Управлению по атомной энергии Великобритании 22 декабря 1970 г.
• Э. Х. Кук-Ярборо (1967). «Предложение по невращающемуся электрическому генератору переменного тока с тепловым приводом», Меморандум Харвелла AERE-M881 .
• Т. Финкельштейн; Эй Джей Орган (2001). Воздушные двигатели . Профессиональное инженерное издательство. ISBN  1-86058-338-5 .
• К.М. Харгривз (1991). Двигатель Стирлинга Филипс . Эльзевир Наука . ISBN  0-444-88463-7 .
• Эй Джей Орган (1992). Термодинамика и газодинамика машины Стирлинга . Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-41363-Х .
• Р. Сиер (1995). Преподобный Роберт Стирлинг Д.Д.: Биография изобретателя теплового экономайзера и двигателя с циклом Стирлинга . Л.А. Майр. ISBN  0-9526417-0-4 .

Дальнейшее чтение

• С. Бакхаус; Г. Свифт (2003). «Акустический тепловой двигатель Стирлинга: более эффективен, чем другие тепловые двигатели с неподвижными частями» . Лос-Аламосская национальная лаборатория. Архивировано из оригинала 1 августа 2008 года . Проверено 19 января 2009 г.
• BBC News (31 октября 2003 г.). «Власть от народа» . Проверено 19 января 2009 г.
• У. Т. Бил (1971). «Тепловое устройство с циклом Стирлинга», патент США 3552120 . Выдано Research Corp. 5 января 1971 г.
• Углеродный фонд (2007). «Акселератор микро-ТЭЦ — Промежуточный отчет — Краткое содержание» . Архивировано из оригинала 28 марта 2014 года . Проверено 19 марта 2012 г.
• Р. К. Белэр (1977). «Устройство для уменьшения времени пуска двигателей Стирлинга», патент США 4057962 . Предоставлено Ford Motor Company 15 ноября 1977 г.
• Дж. Харрисон (2008). «Что такое микрогенерация?» . Клавертонская группа энергетических исследований . Проверено 19 января 2009 г.
• Дж. Хаски (2008). «Модифицированный двигатель Стирлинга с большей удельной мощностью» . Создайте конкурс дизайна будущего . НАСА и SolidWorks. Архивировано из оригинала 6 января 2009 года . Проверено 19 января 2009 г.
• ПАСКО Научный (1995). «Руководство по эксплуатации и руководство по экспериментам для научной модели PASCO SE-8575» (PDF) . Проверено 18 января 2009 г. - через факультет физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре .
• Ю. Тимуми; И. Тлили; С.Б. Насралла (2008). «Оптимизация производительности двигателей Стирлинга». Возобновляемая энергия . 33 (9): 2134–2144. doi : 10.1016/j.renene.2007.12.012 .
• Компакт-диск Вест (1970). «Гидравлические тепловые двигатели», Harwell Momorandum AERE-R6522 .
• СК Уикхэм (2008). «Восстание Камена» . Профсоюзный лидер. Архивировано из оригинала 22 мая 2011 года . Проверено 19 января 2009 г.
• Группа компаний Пречер. «Технология транспортных средств, работающих на твердом биотопливе» (PDF) . Проверено 19 января 2009 г.
• К. Хирата. «Двигатель Стирлинга Палм-Топ» . Проверено 18 января 2009 г.
• Д. Ляо. «Принципы работы» . Проверено 18 января 2009 г.
• Микро-Стар Интернэшнл (2008). «Первый в мире бесмощный воздушный охладитель на материнской плате!» . Архивировано из оригинала 13 сентября 2008 года . Проверено 19 января 2009 г.
• П.Х. Сеперли (1979). «Беспоршневой двигатель Стирлинга — тепловой двигатель бегущей волны». Журнал Акустического общества Америки . 66 (5): 1508–1513. Бибкод : 1979ASAJ...66.1508C . дои : 10.1121/1.383505 .
• П. Фетте. «О КПД регенератора в двигателе Стирлинга и функции объемного отношения V _max /V _min » . Архивировано из оригинала 8 марта 2001 года . Проверено 19 января 2009 г.
• П. Фетте. «Двигатель Стирлинга альфа-типа дважды двойного действия, способный работать с составными жидкостями, используя тепловую энергию низких и средних температур» . Архивировано из оригинала 8 марта 2001 года . Проверено 19 января 2009 г.
• Д. Хейвуд. «Введение в машины с циклом Стирлинга» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 12 мая 2013 года . Проверено 25 декабря 2018 г.
• З. Герцог (2006). «Двигатели Стирлинга» . Монт-Альто: Университет штата Пенсильвания. Архивировано из оригинала 3 апреля 2007 года . Проверено 19 января 2009 г.
• Ф. Кьеи-Ману; А. Ободоако (2005). «Проект предложения по водяному насосу для солнечного двигателя Стирлинга» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 6 марта 2009 года . Проверено 19 января 2009 г.
• Лундский университет, факультет энергетических наук: отдел двигателей внутреннего сгорания. «Исследование двигателя Стирлинга» . Архивировано из оригинала 19 апреля 2008 года . Проверено 19 января 2009 г.
• Д. Филлипс (1994). «Зачем авиации нужен двигатель Стирлинга» . Архивировано из оригинала 19 января 2009 года . Проверено 19 января 2009 г.

Внешние ссылки

• Как работают двигатели Стирлинга ( видео на YouTube )
• Как работают двигатели Стирлинга бета-типа ( видео на YouTube )
• Атомная электростанция НАСА на базе двигателя Стирлинга для использования на Луне на YouTube
• Анализ машины с циклом Стирлинга, Исраэль Уриэли
• Как построить двигатель Стирлинга (2017). Двигатели Стирлинга: проектирование и изготовление
• Простой метод прогнозирования производительности двигателя Стирлинга
• Исследование двигателей горячего воздуха XIX века