Появился на форумах вполне закономерный вопрос по поводу эффективности двигателя Стирлинга, а именно распределение теплового энергетического баланса на основании известных всем книг Уокера и Ридера с Хупером.
Возникают непонятные процентные доли в отношении двигателей дизеля. Т.е. среднее значение тепловой энергии, которая отводится через охлаждающую систему радиатором, для двигателей дизеля составляет около 20%, а для двигателей Стирлинга этот показатель доходит до 50% и выше. На что и обращается внимание читателей выше перечисленной литературы авторами. Они сразу советуют закладывать в 2-2,5 раза большую производительность радиаторов для наземной техники.
Этот вопрос не встаёт так жестко для водных видов транспорта, так как в избытке имеется забортная вода, которая по эффективности охлаждения намного выше окружающего нас воздуха. Именно воздушные радиаторы и страдают увеличением своих габаритов при проектировании двигателей для автобусов, автомобилей и грузовых машин.
Как охладить двигателей стирлинга
Вот диаграмма распределения теплового баланса для Стирлинга в книге Уокера:
А вот сравнительный анализ Стирлинга и дизеля из литературы Хупера и Ридера:
Как вы видите в сравнении с дизелем у Стирлинга примерно в два раза больше площадь охлаждающей жидкости и наоборот в два раза меньше выпуск (сброс тепла с отработавшими газами).
И вопрос как раз в том, а откуда же берётся такое удвоенное значение (в данном случае 46%) зазря выкидываемой в радиатор энергии? Ведь потери за счёт неидеальности регенератора, потери на трение и утечки тепла (за счёт теплопроводности материалов) от горячей части цилиндра вдоль длины корпуса двигателя к холодной части максимум составляют 20%.
А проблема кроется в непостоянстве температуры. Нет, здесь не имеется в виду повышение температуры рабочего тела в области нагревания при перетоке из области сжатия в область расширения и наоборот.
В книге Г.Уокера «ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА» говорится примерно следующее:
В двигателе Стирлинга процессы нагрева и охлаждения рабочего тела не являются изотермическими (с постоянной температурой), а приближены к адиабатическим. Поэтому в области расширения рабочий газ имеет более пониженную среднюю температуру, а в области сжатия более повышенную среднюю температуру. А это означает, что и полезная работа и термический КПД снижаются.
Но и тут остаётся непонимание. Что такое средняя температура? Давайте я покажу вам частный случай, как говорится «на пальцах». Для упрощения приведён только вытеснитель. Расположение рабочего поршня не показано, так как оно будет зависеть от выбранной вами модификации.
Майнкрафт Билд крафт как использовать двигатель внутреннего сгорания (2023)
Смотрите рисунок выше. Когда вытеснитель начинает своё движение вниз (из ВМТ в НМТ), то рабочий газ начинает перемещаться из холодной зоны (зоны сжатия) в горячую зону (зону расширения). При этом рабочее тело проходит через нагреватель и увеличивает свою температуру. И опять же при этом его давление начинает повышаться.
А так как при этом объём газа в горячей части цилиндра и в холодной его части свободно связаны, то давление начинает также подниматься и в холодной части цилиндра. А вот это и означает, что в холодной части также возрастает и температура. И это тепло начинает отдаваться на всю конструкцию двигателя в холодной части двигателя. Объём то остаётся постоянным! Мы имеем потери тепловой энергии.
Теперь смотрим рисунок ниже.
Вытеснитель начинает двигаться вверх (из НМТ в ВМТ). Происходит ровно всё наоборот вышеописанному. Т.е. рабочее тело перетекает из горячей области в холодную через холодильник. При этом его температура падает. И при этом же и его давление падает. А так как горячая и холодная части цилиндра свободно соединены, то начинает падать давление и в горячей части.
А это приводит к понижению температуры. Т.е. рабочее тело берёт излишнее тепло от нагревателя и не выполняя полезной работы сбрасывает его в регенераторе и холодильнике. Снова потери тепла.
Вот именно вот это непостоянство температуры и влияет на увеличенные потери в двигателях стирлинга. Судя по источникам, которые описывают реально спроектированные и апробированные двигатели, средние отношения колебания давлений (максимального к минимальному) равняются 2 (двум). Это означает, что примерно температура будет изменяться в этих же пределах. Т.е. если минимальная температура газа в холодной его части (зоне сжатия) равна 40°С, то максимальная будет 80°С (будет сброс тепла в радиатор), а значит средняя 60°С.
Это и есть очередная проблема для построителей двигателей стирлинга. Можно ли её решить? Да! Запаять нафик переход газа из холодной части в горячую и наоборот. И проблем с потерями не будет …. и проблем со стирлингом не будет ))) . Можно ли придумать конструкцию, исключающую или сильно уменьшающую данную проблему? Не знаю.
Всё возможно.
Источник: domolov.ru
Двигатель Стирлинга наизнанку – единственный коммерчески успешный проект
С двигателями Стирлинга люди знакомы, информация о них встречается с некоторой регулярностью как о «Тепловых машинах», работающих на разнице температур. Но существуют и охладители Стирлинга, функционирование которых устроено наоборот – на них подаётся энергия, и они высасывают тепло из окружающего пространства. Это явный пример альтернативного холодильника.
Как устроен охладитель Стирлинга
Любой двигатель это замкнутая система по преобразованию одного вида энергии в другой. Если с одного конца подаётся тепло, то с другой стороны пользователь получает механическую или электрическую энергию. Только для этого используются разные циклы:
- Отто – двигатель внутреннего сгорания;
- Стирлинга – двигатель внешнего сгорания;
- Дизеля – дизельный двигатель;
- Брайтона – газотурбинный двигатель.
Охладитель Стирлинга это по сути тот же самый двигатель, только работающий задом наперёд. Вместо того, чтобы подавать тепло в систему и извлекать энергию, к нему подключают внешнее питание, и он начинает высасывать тепло из окружающей среды.
Из-за этого эффекта теплопоглощения, приёмник тепловой энергии становится всё холоднее и холоднее, ведь идёт постоянная подача энергии в охладитель Стирлинга, и тепло постоянно высасывается из окружающего пространства.
FPSC (Free Piston Stirling Cooler), или Свободно Поршневой Охладитель Стирлинга, отличается от традиционных кинематических морозильников тем, что у него отсутствуют механизмы синхронизации определяющие фазовое соотношение между внутренними компонентами системы. Вместо этого, FPSC ориентируется на давление газа и резонансную настройку управления. Если совсем просто, то с помощью поршня, FPSC попеременно сжимает и расширяет фиксированное количество газа, контролируя место изменения объёма.
Узлы теплообменника разделяют пространство сжатия и расширения, обеспечивая температурный градиент. Он позволяет FPSC высасывать тепло из области пространства расширения, и рассеивать его в области сжатия рабочего газа.
Повторяясь несколько раз в секунду, этот процесс в итоге может создать разницу температур в сотни градусов! Если со стороны расширения, к охладителю Стирлинга прикрепить внешний теплообменник, то холод можно перемещать в нужное место. Например, с помощью перекачиваемого хладагента или принудительной конвекцией воздуха.
Сравнение охладителя Стирлинга с обычным компрессорным холодильником
Система охлаждения на основе компрессора состоит из четырех основных компонентов:
- Компрессор – сжимает газообразный хладагент;
- Конденсатор – рассеивает тепло сжатого хладагента и охлаждает его, приводя к конденсации газа;
- Расширительный клапан – через него сжиженный хладагент попадает в область с нормальным атмосферным давлением;
- Испаритель – здесь жидкий газ испаряется, поглощает тепло из окружающего пространства и снова поступает в компрессор.
Цикл повторяется снова и снова, но этот процесс ограничен физическими свойствами хладагента, в частности температурой испарения и давлением при котором газ сжижается.
Основа конденсационных холодильников – обратный цикл Ренкина.
Для достижения разности температур, превышающей примерно 70°С, требуется использование нескольких хладагентов и часто нескольких компрессоров в так называемых каскадных или автокаскадных системах Ренкина. Эти системы ненадежны, неэффективны, дороги и шумны.
Охладитель Стирлинга не использует хладагент. Фактически FPSC может работать практически с любой сжимаемой жидкостью (газом). Использование гелия, в данном случае обусловлено тем, что он инертен, имеет отличные характеристики теплопередачи и не сжижается до -269°C.
Поскольку FPSC не полагается на эвтектические свойства рабочего тела для накачки тепла, а вместо этого опирается на простые законы идеального газа, разность температур, которая может быть создана, теоретически не ограничена.
Кроме того, без необходимости перекачивания хладагента по контуру система охлаждения FPSC может быть полностью модульной, что значительно упрощает обслуживание и ремонт.
И, наконец, поскольку производительность теплового насоса FPSC является функцией степени сжатия, то простой модуляцией хода поршня, можно отрегулировать производительность системы, чтобы она точно соответствовала утечке тепла. Это означает, что FPSC будет использовать только такое количество энергии, которое необходимо для поддержания заданной температуры, и заданный показатель может поддерживаться с гораздо большей точностью и эффективностью, чем система с термостатическим управлением.
В отличие от «каскадных систем» с двумя компрессорами и контурами охлаждения в последовательном расположении, двигатель Стирлинга использует один поршень с возвратно-поступательным движением и непрерывный термосифон с гравитационным приводом для охлаждения внутренней части устройства. Если в каскадных системах температура регулируется путем включения и выключения компрессоров, линейная система двигателя Стирлинга непрерывно модулируется и адаптируется, управляя движением свободного поршня.
Преимущества уже доступных холодильников Стирлинга может описать в следующих пунктах:
- Усовершенствованная интегральная линейная система двигателя имеет только две движущиеся части;
- Движущиеся части никогда не изнашиваются, потому что газовые подшипники исключают физический контакт (трение) во время движения;
- Там нет масла, чтобы засорить систему;
- Там нет клапанов;
- 100% адаптивная, непрерывная модуляция регулирует температуру без циклов остановки и запуска;
- Устранено электромеханическое напряжение и резкие перепады силы тока, вызванные включением/выключением;
- Для надежного охлаждения требуется минимальное профилактическое обслуживание .
И что особенно привлекает, холодильники Стирлинга практически бесшумны.
Реализованные коммерческие холодильники Стирлинга
Есть несколько фирм, которые предлагают такие модульные холодильники Стирлинга, с весьма привлекательными характеристиками. Например модель ULT25NEU от голландской фирмы Stirlingultracold, работая от одного аккумулятора 60 Ач, может в течении суток поддерживать внутри температуру -40˚C, размеру устройства 70х35х45 см, масса 21 кг, внутренний объём 25 л.
Японская фирма Twinbird тоже предлагает несколько решений, например SC-DF25 DEEP FREEZER 25L с аналогичными размерами и внутренним объёмом, но массой 15 кг. Японцы продают и отдельные охлаждающие модули Стирлинга, допустим вот такой SC-UE15 FPSC Модуль UE15. Он весит всего 3,5 кг, за 10 минут температура головки опускается до -80˚C, работает от 48 В и потребляет 120 Ватт. Точность регулировки температуры 0,1˚C.
Такой модуль можно встроить куда угодно, тем более что гарантия на холодильники Стирлинга от 12 лет.
Все охладители Стирлинга рассчитаны на рабочую температуру -80˚C.
Производители предлагают встраивать такие модули в автомобили-рефрижераторы, мобильные и бытовые холодильники. По уровню экономичности, безопасности и шумности, они вне конкуренции.
Что делать с теплом от холодильника Стирлинга
Это обычный треугольник Стирлинга:
- Электричество (механическая энергия);
- Тепло;
- Холод.
Ведь все эти компоненты можно осваивать в одном устройстве!
Этим занялся международный консорциум университетов, чтобы обеспечить бедные и развивающиеся страны таким универсальным устройством.
По ходу работ выяснилось, что для разработки такого устройства требуются высокие технологии, а для создания и обслуживания — низкие. Цена на такой альтернативный источник тепла-холода-электроэнергии остается низкой, и комбинированная печь окажется полезной в повсеместном использовании.
Устройство консорциума основано на термоакустической технологии, которая активно разрабатывалась в Лос-Аламосских лабораториях. По сути, устройство является двигателем Стирлинга.
Дровяная печь прикреплена к трубе, которая имеет форму, похожую на импульсный реактивный двигатель. Тепло от печи вызывает резонансную волну в трубе, которая высасывает тепло из воздуха на другом конце. Следовательно, печь обладает способностью обеспечивать тепло на одном конце трубы и охлаждение другой стороны резонатора.
Для выработки электричества в трубу помещают мембрану, которая вибрирует взад-вперед с резонирующим газом, что может быть использовано для выработки электроэнергии.
Устройство-прототип
Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на наш канал, Если статья Вам понравилась!
Делитесь с друзьями, оставляйте ваши КОМЕНТАРИИ (Ваши Комментарии очень помогают развитию проекта)
Добавляйтесь в нашу группу в ВК:
и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее.
Источник: alter220.ru
Двигатель Стирлинга впервые испытан в космосе
В своем стремлении к первенству в мировой космической отрасли, а именно в намерении занять лидирующие позиции в проектах по исследованию Луны и даже Марса, Китай добился значительных успехов. Одним из последних таких удачных экспериментов стало испытание установки Стирлинга. Оно прошло в реальных условиях орбитального полета на борту станции «Tiangong-3», что стало первым в мире подобным опытом.
Над аналогичным проектом работают и в NASA, но они пока не продвинулись дальше наземных испытаний, которые прошли в 2018 году.
Двигатель Стирлинга рассматривается как многообещающее и эффективное технологическое решение проблем, связанных, в первую очередь, с длительными полетами и пребыванием человека в дальнем космосе.
Схема термоэлектрического преобразователя Стирлинга. Фото: YouTube.com
Представленная установка, созданная на основе технологии преобразования тепла в электроэнергию посредством движения магнитов с поршневым приводом, выгодно отличается от устройств с солнечными элементам питания.
Это обосновано тем, что термоэлектрический преобразователь Стирлинга может функционировать в сотрудничестве с любым источником тепла. При этом, он отличается малым весом, быстрым стартом, отсутствием излишнего шума и вибраций, и простотой сборки. Поэтому данная технология выглядит как одно из самых надежных средств в плане обеспечения энергией летательных космических аппаратов и исследовательских станций.
Диоксид плутония-238 обеспечит длительную работу установки. Фото: YouTube.com
Также в числе немаловажных факторов можно выделить независимость от солнечной энергии. Она в различных условиях не всегда может быть доступна. Так например, в районе Южного полюса Луны и кратера Эйткен, где предполагается строительство космической станции, светлое и темное время суток чередуются практически раз в две недели.
По результатам проведенного эксперимента и оценке работы преобразователя в тандеме с ядерным реактором сделаны выводы о том, что двигатели Sterling доказали свою эффективность в качестве бесперебойного источника энергии. Таким образом они вполне могут обеспечить длительное пребывание человека на естественном спутнике Земли и на Марсе.
Использованы фотографии: youtube.com
Источник: bibimot.ru