Расчет двигателя стирлинга: Калькулятор расчета мощности Двигателя Стирлинга

---

Калькулятор расчета мощности Двигателя Стирлинга

Зависимость числа Била от температуры нагревателя.

Для удобства оценки мощности предполагаемого двигателя Стирлинга вашему вниманию предлагается калькулятор. Расчёт основан на уравнении с числом Била. Также была добавлена зависимость мощности от температурных параметров газа в горячей и холодной части двигателя (рассчитать КПД цикла Стирлинга). Расчёт ведётся для одного рабочего поршня. Если их 2, 3 и т.д., то необходимо просто умножить полученное значение мощности на это количество. Если у вас двойная гамма (один рабочий поршень и 2 вытеснителя), то нужно полученную мощность умножить на 2.

По умолчанию в калькулятор введены значения абстрактного двигателя с рабочим объёмом 98 куб.см и средним давлением цикла 0,2МПа (200КПа) или 2 атмосферы. Температуры рабочего тела в горячей и холодной зоне соответственно 650 и 65 градусов по шкале Цельсия.

Расшифровка поля Качество изготовления двигателя внешнего сгорания:

— На коленке — низкое качество из подручных средств, несоблюдение размеров, типов материалов, несбалансированность механики. В общем чуть лучше чем стирлинг из пивных банок.

— Гаражное — подразумевает наличие хоббийных технологий, небольшой парк станков, доступность выбора некоторых качественных материалов, старание соблюдение размеров и некоторых законов физики )))

— Качественное — это исследовательский тип разработок, который использует хоть и качественные технологии, но всё же направлен на снижение себестоимости за счёт ухода от сверх идеального качества. Можно также рассматривать технологии до 80-х годов прошлого века.

— Профессиональное — самое передовое автоматизированное производство, производственная культура и новые материалы сегодняшнего дня.

Ну а для тех, кто не прочитал ни одной книжки по Стирлингам предлагаю начать с инфографики.

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

МЕТОДЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИИ | Двигатели Стирлинга

Проектирование двигателя Стирлинга следует выполнять в несколько стадий, причем каждая последующая стадия осно­вана на более строгом математическом подходе, так что поря­док действий подобен показанному на рис. 3.1. В зависимости от целей и задач конкретного исследования отдельные стадии можно исключить. Если рассматривается осуществимость новой концепции пли новой конструкции, необходимые расчеты можно провести с помощью простых приближенных соотношений, что­бы проверить работоспособность системы. В некоторых случаях на этой стадии предварительной проработки может потребо­ваться более подробная информация, чтобы иметь возможность провести сравнение с уже созданными энергосиловыми установ­ками, не работающими по циклу Стирлинга. Таким образом, стадия предварительного расчета может быть единственным эта­пом, а может стать начальной ступенью длительного процесса проектирования. Что бы ни требовалось, весьма вероятно, что будет задана требуемая выходная мощность при определенной скорости вращения вала.

Как уже отмечалось в начале этой главы, имеются некото­рые приближенные методы, с помощью которых можно опре­делить основные особенности конструкции, и в настоящее время получены некоторые масштабные коэффициенты [69, 70]. Од­нако на стадии предварительного расчета потребуются дополни­тельные подробные данные для более полной оценки характе­ристик предложенной системы. Затем эти данные используются в качестве исходных для более точных анализов и расчетов. Чтобы определить рабочие характеристики, требуется знать следующие параметры:

1) рабочие температуры;

2) давление;

3) рабочие объемы;

4) величины мертвых объемов;

5) число цилиндров.

Двигатели модификации альфа, как правило, развивают бо­лее высокую выходную мощность по сравнению с двигателями других модификаций. Поэтому мы рассмотрим именно эту мо­дификацию, чтобы на ее примере продемонстрировать основные особенности предлагаемого метода предварительного расчета конструкции. Во-первых, нужно знать требуемое значение КПД и с помощью соотношения для оптимального КПД псевдоцикла (2.20) найти отношение температур. Чтобы рассчитать это от­ношение, необходимо знать эффективность регенератора, но получить эту величину на основании анализа теплообмена не­возможно вследствие отсутствия соответствующих эксперимен­тальных данных. Тем не менее, если эффективность регенерато­ра меньше 0,90, то двигатель не будет работоспособным, и по­этому указанное значение можно считать наименьшей допусти­мой величиной, которую следует использовать при определении отношения температур.

Чтобы найти максимальную и минимальную температуры, зная их отношение, необходимо определить одну из них, и это определение несколько произвольно, хотя и должно удовлетво­рять некоторым ограничениям. Максимальная температура ограничена предельной величиной для применяемого конструк­ционного материала (обычно нержавеющей стали), в то время как минимальная температура не ограничена подобным обра­зом, но будет зависеть от условий работы двигателя. При ис­следовании прототипа двигателя минимальная температура должна быть возможно более низкой, поскольку требуется по­лучить наилучшие рабочие характеристики. Так как обычным охладителем является вода, разумно выбрать минимальную температуру равной 300 К. Однако следует подчеркнуть, что эти значения представляют собой температуры рабочего тела, а не температуры нагревателя и холодильника.

При проектировании двигателя обычно ставят задачу полу­чить требуемую выходную мощность при ограниченных значе­ниях максимального давления и рабочего объема. Можно про­ектировать двигатель, задавшись целью наиболее эффективно использовать ограниченную массу рабочего тела, но такую цель обычно ставят лишь в том случае, когда намереваются усовер­шенствовать удачный прототип. С помощью метода Шмидта можно найти параметр мощности $Ys, связывающий мощность, давление и рабочие объемы:

WTS = WT/(pmaiiVST), (3.98)

Или, применяя параметры цикла (приложение А), получаем

IF/ — 6<‘ -5) Я Sin 0(1 -6)ш QQ

Wts — (, + K + X) (1 + б)»’ [1 + (1 — 62П • ‘

Как нетрудно видеть, требуется исследовать множество ком­бинаций параметров, чтобы получить оптимальную величину WTs

при заданном отношении температур. Заметим, что пара­метр мощности представляет собой модифицированное число Била, и поэтому выражение для числа Била можно скомбини­ровать с соотношением (3.99), чтобы найти значения k, X, б и т. д. и получить величины требуемых параметров, типичные для современных машин. Соотношение (3.99) было подробно исследовано Уокером [4], который получил серию рабочих
диаграмм, особенно полезных на стадии предварительного расче­та. Эти диаграммы в несколько модифицированной форме пред­ставлены на рис. 3.7. Зная максимальную температуру (в по­лости расширения), можно найти параметр мощности WTs при

Оптимальных условиях работы. Кроме того, можно определить фазовый угол объемов а и от­ношение рабочих объемов

K. Однако, чтобы найти эти зна­чения, необходимо задать от­носительный мертвый объем X. Величину X приходится выбирать произвольно, од­нако данные, представленные в табл. 2.4, позволяют найти наиболее подходящие значения.

Мы выбрали в качестве примера модификацию альфа двигателя, но порядок дейст­вий одинаков для двигателя любой модификации. Кон­струкцию свободнопоршневых двигателей и двигателей «Флюидайн» также можно рас­считывать с помощью анало­гичного метода при наличии ра­бочих диаграмм такого же ти­па. В настоящее время не име­ется подобных диаграмм для «мокрого» двигателя «Флюи дайн», но представленные диа­граммы применимы для «сухо­го» варианта. Уиатт-Мейер и Берчовиц [19] получили рабо­чие диаграммы для свободно­поршневых двигателей типа машины Била и харуэллской машины.

						1
		= 0,5		1 [
						1
«——						Hk
						Т 1,5

300 1000 3000 Температура с полости расши рения, К

Рис. 3.7. Рабочие диаграммы Уокера [4]. ^Vs — параметр мощности; а — фазовый Угол объемов; k—отношение рабочих объемов.

Предварительный расчет позволяет определить значения суммарного рабочего объема и отношения рабочих объемов, а зная эти величины, можно найти суммарные объемы полостей сжатия и расширения. Однако эти объемы можно реализовать при использовании одного цилиндра или нескольких цилиндров и самых различных механизмов привода. Для компактных дви­гателей очень полезны данные фирмы «Дженерал моторе» [71], позволяющие определить относительные размеры двигателя с
различными механизмами привода (рис. 3.8). По данным фирмы нельзя найти число цилиндров и нельзя рассчитать аналитиче­ски, нужно ли применить двигатель простого или двойного дей­ствия. Необходимо знать требуемое значение выходной мощ­ности для одного цилиндра или на единицу объема, и тогда можно найти число цилиндров и тип действия.

Чтобы проиллюстрировать порядок предварительного расче­та, приведем численный пример. Заданы следующим образом технические условия двигателя:

Вода 15 кВт 33% 1500 об/мни

Тип двигателя Модификация альфа с кривошип

Но-шатунным механизмом ири —

Выходная мощность КПД

Скорость вращения вала

При требуемом значении КПД, равном 33%, согласно со­отношению для псевдоцикла, индикаторный КПД будет равен 33-1/0,75 = 44 %, где коэффициент 0,75 учитывает механиче­ское несовершенство системы привода. С помощью диаграммы типа представленной на рис. 2.5 при эффективности регенера­тора 0,93 находим отношение температур, равное 0,3; следова­тельно, при температуре холодного газа 300 К температура го­рячего газа ТЕ будет равной 300/0,3 = 1000 К, и, применяя ра­бочие диаграммы Уокера при относительном мертвом объеме 1,5, получаем следующие значения параметров: $Vs = 0,14, а — = 97,2°, K = 0,88

Согласно техническим условиям, выходная мощность долж­на составлять 15 кВт при скорости вращения 1500 об/мин, т. е. работа, производимая в течение одного оборота, должна быть равна 15-60/1500 = 0,6 кВт. В таком случае из соотношения (3.99) получаем?)

Р«.х^ет = 0,6/0,14 = 4,286, (3.100)

Причем величина ртах выражена в килопаскалях, a Ksr — в ку­бических метрах.

Если выразить давление в мегапаскалях, a Fsr — в кубиче­ских сантиметрах, то правую часть соотношения (3.100) нужно умножить на 1000. Прежде чем продолжить расчеты, следует указать, что величина VPTS была получена на основании метода Шмидта, в котором не учитываются потери. Требуемая выход­ная мощность рассматриваемого двигателя 15 кВт; расчетное значение индикаторной мощности, найденное методом Шмидта, обычно втрое больше мощности на валу, и, следовательно, най­денную числовую величину нужно умножить на 3, получая в результате ртах (МПа)X Vsr (см3) = 12,858. Ясно, что суще­ствует бесконечное множество комбинаций давления и объема.

2,5

Которые дают требуемую величину их произведения. Чтобы про­иллюстрировать характеристики конструкции, в табл. 3.8 пред­ставлена серия возможных комбинаций при изменении макси­мального давления цикла от 20 до 1 МПа.

Выбор комбинации зависит от конкретного применения дви­гателя; например, если двигатель предназначен для коммер­ческого использования, величина максимального давления цик­ла должна составлять, вероятно, 10—20 МПа, для научных ис-

Таблица 3.8. Примеры возможных комбинаций давления и объема Максимальное давление цикла, МПа Суммарный объем полости сжатия, см3 Суммарный объем полости расширения, см3 20 300 342 15 401 456 10 602 684 5 1204 1368 1 6019 6839

Следований 5—20 МПа, для обучения 1—5 МПа. Следовательно, если нужно разработать двигатель для коммерческого исполь­зования, являющийся конкурентом дизелю, то это должен быть двигатель двойного действия с давлением 15—20 МПа. По­скольку выбран принцип двойного действия, необходимы по меньшей мере три цилиндра. Требуемый фазовый угол объемов 97,2° может обеспечить кривошипно шатунный механизм, так как механизм привода с косой шайбой не подходит из геомет­рических соображений для такого угла.

Четырех — или шестицилиндровые двигатели, как мы видели, облегчают балансировку. Поэтому в нашем примере можно ис­пользовать четырехцилиндровый двигатель двойного действия с давлением 20 МПа. Следовательно, объем полости расшире­ния равен 342/4 = 85,5 см3, а диаметр цилиндра и длина хода поршня, рассчитанные по формулам (3.12) и (3.13), составляют соответственно 6,02 н 3,0 см. Радиус кривошипа равен поло­вине хода поршня, т. е. 1,5 см. С помощью табл. 3.7 можно найти основные габаритные размеры двигателя: высота = = 11,5S = 34,62 см; ширина картера = 3S = 9,03 см; длина картера = 3SNc = 36,12 см.

Если ту же самую методику применить к полости сжатия, то, поскольку отношение рабочих объемов равно 0,88, значения диаметра цилиндра и длины хода для полости сжатия будут отличаться от соответствующих расчетных значений для поло­сти расширения. В двигателе двойного действия это недопу­стимо. Вспомним, однако, что в двигателе двойного действия шток поршня проходит через полость сжатия и, таким образом, уменьшает ее объем, хотя и не столь сильно, чтобы отношение объемов стало равным 0,88. Рассуждая от противного, найдем диаметр штока поршня, при котором достигается требуемое от­ношение объемов:

^ток = И-8^с/Ис)]0’5. (3-101)

23 Зак. 839

/

И в нашем примере получим йшток = 2,1 см. Эта величина ве­ликовата, но позволяет получить представление о предъявляе­мых требованиях.

Ситуация несколько облегчается, поскольку в двигателях высокого давления используется поршень с головкой типа «Хей­ландт», имеющей полусферическую форму, что вызывает умень­шение объема полости расширения (рис. 3.9) и, следовательно, уменьшение требуемого диаметра штока.

При определении необходимых размеров предполагалось, что термодинамическая мощность, рассчитанная методом Шмидта, должна быть втрое больше мощности на валу. По завершении

Незанятый объем

П

1J

Рис. 3.9. Влияние головки поршня типа «Хейландт» на объем.

Предварительного расчета можно проверить правильность при­нятого подхода с помощью соотношения Била (3.2). Для этого необходимо знать среднее давление цикла, которое можно опре­делить с помощью метода Шмидта по следующему соотноше­нию, связывающему максимальное и среднее давления:

Рср = Ртах (тт!)05′ (3.102)

Гпе, (^ + 2fegcosa+fe2)0-5

Д Ј + fe + 4Xg/(Ј+I) •

В нашем примере 6 = 0,645, рсР=9,3 МПа. Поскольку число Била вычислено, можно применить соотношение Била, получая в итоге

4 • 0,019 ■ 9,3 • 75,2 • 1500 6000

R. t ■ U, U1» ■ • /0,2 • li3UU, ог, г> п

Рв=—————— ^—————- =13,29 кВт.

Требуемая выходная мощность равна 15 кВт, и, следова­тельно, спроектированную систему уже можно считать удовле­творительной. Таким образом, применяя очень простой метод, можно получить много ценных результатов. Осталось только выбрать рабочее тело. Этот выбор в большой степени опреде­ляется назначением двигателя Все факторы, которые нужно учесть при этом, подробно рассматриваются в работе Мартини [18]. В наш^м примере выбор определяется общими рабочими характеристиками; при требуемой скорости вращения прием­лемы все три обычных рабочих тела—воздух, гелий и водород. Мы бы рекомендовали делать окончательный выбор после сле­дующей стадии проектирования.

Описанный метод не является универсальным, он лишь слу­жит примером того, как можно получить основные данные с по­мощью элементарных соотношений. Полученная информация позволяет оценить реализуемость предлагаемой схемы двига­теля или составить основу для следующей стадии расчета, опи­санной в следующем разделе.

Двигатель Стирлинга — Энциклопедия журнала «За рулем»

Всего около ста лет назад двигателям внутреннего сгорания пришлось в жестокой конкурентной борьбе завоевывать то место, которое они занимают в современном автомобилестроении. Тогда их превосходство отнюдь не представлялось столь очевидным, как в наши дни. Действительно, паровая машина — главный соперник бензинового мотора — обладала по сравнению с ним огромными достоинствами: бесшумностью, простотой регулирования мощности, прекрасными тяговыми характеристиками и поразительной «всеядностью», позволяющей работать на любом виде топлива от дров до бензина. Но в конечном итоге экономичность, легкость и надежность двигателей внутреннего сгорания взяли верх и заставили примириться с их недостатками, как с неизбежностью.
В 1950-х годах с появлением газовых турбин и роторных двигателей начался штурм монопольного положения, занимаемого двигателями внутреннего сгорания в автомобилестроении, штурм, до сих пор не увенчавшийся успехом. Примерно в те же годы делались попытки вывести на сцену новый двигатель, в котором поразительно сочетается экономичность и надежность бензинового мотора с бесшумностью и «всеядностью» паровой установки. Это — знаменитый двигатель внешнего сгорания, который шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).

Физика процесса

Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем требуется на сжатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, а когда воздух в ней охладится, горлышко затыкают пробкой и быстро переносят в горячую воду. Через несколько секунд раздается хлопок и нагреваемый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова возвратить в ледяную воду — цикл повторится.
в цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга почти в точности воспроизводился этот процесс, пока изобретатель не сообразил, что часть тепла, отнимаемого у газа при охлаждении, можно использовать для частичного подогрева. Нужна лишь какая-то емкость, в которой можно было бы запасать тепло, отнятое у газа при охлаждении, и снова отдавать ему при нагревании.
Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые здесь результаты были весьма посредственны: 5—7 процентов к.п.д., 2 л. с. мощности, 4 тонны веса и 21 кубометр занимаемого пространства.
Двигатели внешнего сгорания не были спасены даже успехом другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предложил нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. 8 1887 году несколько тысяч небольших эриксоновских двигателей отлично работало в типографиях, в домах, на шахтах, на судах. Они наполняли водонапорные баки, приводили а действие лифты. Эриксон пытался даже приспособить их для привода экипажей, но они оказались чересчур тяжелыми. В России до революции большое количество таких двигателей выпускалось под названием «Тепло и сила».
Однако попытки увеличить мощность до 250 л. с. окончились полным провалом. Машина с цилиндром диаметром 4,2 метра развивала меньше 100 л. е., огневые камеры прогорели, и судно, на котором были установлены двигатели, погибло.
Инженеры без сожаления распрощались с этими слабосильными мастодонтами как только появились мощные, компактные и легкие бензомоторы и дизели. И вдруг, в 1960-е, спустя почти 80 лет о «стирлингах» и «эриксонах» (будем условно называть их так по аналогии с дизелем) заговорили как о грозных соперниках двигателей внутреннего сгорания. Разговоры эти не утихают и поныне. Чем же объясняется такой крутой поворот во взглядах?

Цена методичности

Когда узнаешь о старой технической идее, возродившейся в современной технике, сразу же возникает вопрос: что же препятствовало ее осуществлению раньше? В чем состояла та проблема, та «зацепка», без решения которой она не могла проложить себе дорогу в жизнь? И почти всегда выясняется, что своим возрождением старая идея обязана либо новому технологическому методу, либо новой конструкции, до которой не додумались предшественники, либо новому материалу. Двигатель внешнего сгорания можно считать редчайшим исключением.
Теоретические расчеты показывают, что к.п.д. «стирлингов» и «эриксонов» могут достигать 70 процентов — больше, чем у любого другого двигателя. А это значит, что неудачи предшественников объяснялись второстепенными, в принципе устранимыми факторами. Правильный выбор параметров и областей применения, скрупулезное исследование работы каждого узла, тщательная обработка и доводка каждой детали позволили реализовать преимущества цикла. Уже первые экспериментальные образцы дали КПД 39 процентов! (к.п.д. бензиновых двигателей и дизелей, которые отрабатывались годами, соответственно 28—30 и 32—35 процентов.) Какие же возможности «просмотрели» в свое время и Стирлинг и Эриксон?
той самой емкости, в которой попеременно то запасается, то отдается тепло. Расчет регенератора в те времена был просто невозможен: науки о теплопередаче не существовало. Его размеры принимались на глазок, а как показывают расчеты, КПД двигателей внешнего сгорания очень сильно зависит от качества регенератора. Правда, его плохую работу можно в определенной степени компенсировать повышением давления.
Вторая причина неуспеха была в том, что первые установки работали на воздухе при атмосферном давлении: их размеры получались огромными, а мощности — малыми.
Доведя к.п.д. регенератора до 98 процентов и заполнив замкнутый контур сжатым до 100 атмосфер водородом или гелием, инженеры наших дней увеличили экономичность и мощность «стирлингов», которые даже в таком виде показали к.п.д. более высокий, чем у двигателей внутреннего сгорания.
Уже одного этого было бы достаточно, чтобы говорить об установке двигателей внешнего сгорания на автомобилях. Но только высокой экономичностью отнюдь еще не исчерпываются достоинства этих возрожденных из забвения машин.

Как работает Стирлинг

Принципиальная схема двигателя внешнего сгорания:
1 — топливная форсунка;
2 — выпускной патрубок;
3 — элементы воздухоподогревателя;
4 — подогреватель воздуха;
5 — горячие газы;
6 — горячее пространство цилиндра;
7 — регенератор;
8 — цилиндр;
9 — ребра охладителя;
10 — холодное пространство;
11 — рабочий поршень;
12 — ромбический привод;
13 — шатун рабочего поршня;
14 — синхронизирующие шестерни;
15 — камера сгорания;
16 — трубки нагревателя;
17 — горячий воздух;
18 — поршень-вытеснитель;
19 — воздухоприемник;
20 — подвод охлаждающей воды;
21 — уплотнение;
22 — буферный объем;
23 — уплотнение;
24 — толкатель поршня-вытеснителя;
25 — толкатель рабочего поршня;
26 — ярмо рабочего поршня;
27 — палец ярма рабочего поршня;
28 — шатун поршня-вытеснителя;
29 — ярмо поршня-вытеснителя;
30 — коленчатые валы.
Красный фон — контур нагрева;
точечный фон — контур охлаждения

В современной конструкции «стирлинга», работающего на жидком топливе, — три контура, имеющих между собой лишь тепловой контакт. Это контур рабочего тела (обычно водорода или гелия), контур нагрева и контур охлаждения. Главное назначение контура нагрева — поддерживать высокую температуру в верхней части рабочего контура. Контур охлаждения поддерживает низкую температуру в нижней части рабочего контура. Сам контур рабочего тела замкнут.
Контур рабочего тела. В цилиндре 8 движутся два поршня — рабочий 11 и поршень-вытеснитель 18. Движение рабочего поршня вверх приводит к сжатию рабочего тела, движение его вниз вызывается расширением газа и сопровождается совершением полезной работы. Движение поршня-вытеснителя вверх выжимает газ в нижнюю, охлаждаемую полость цилиндра. Движение же его вниз соответствует нагреванию газа. Ромбический привод 12 сообщает поршням перемещение, соответствующее четырем тактам цикла ({на схеме показаны эти такты).
Такт I — охлаждение рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18 движется вверх, выжимая рабочее тело через регенератор 7, в котором запасается тепло нагретого газа, в нижнюю, охлаждаемую часть цилиндра. Рабочий поршень 11 находится в НМТ.
Такт II — сжатие рабочего тела. Энергия, запасенная в сжатом газе буферного объема 22, сообщает рабочему поршню 11 движение вверх, сопровождающееся сжатием холодного рабочего тела.
Такт III — нагревание рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18, почти примкнув к рабочему поршню 11, вытесняет газ в горячее пространство через регенератор 7, в котором к газу возвращается тепло, запасенное при охлаждении.
Такт IV — расширение рабочего тела — рабочий такт. Нагреваясь в горячем пространстве, газ расширяется и совершает полезную работу. Часть ее запасается в сжатом газе буферного объема 22 для последующего сжатия холодного рабочего тела. Остальное снимается с валов двигателя.
Контур нагрева. Воздух вентилятором нагнетается в воздухоприемник 19, проходит через элементы 3 подогревателя, нагревается и попадает в топливные форсунки. Получившиеся горячие газы нагревают трубки 16 нагревателя рабочего тела, обтекают элементы 3 подогревателя и, отдав свое тепло воздуху, идущему на сжигание топлива, выбрасываются через выпускной патрубок 2 в атмосферу.
Контур охлаждения. Вода через патрубки 20 подается в нижнюю часть цилиндра и, обтекая ребра 9 охладителя, непрерывно охлаждает их.

«Стирлинги» вместо ДВС

Первые же испытания, проведенные пол-века назад, показали, что «стирлинг» почти идеально бесшумен. У него нет карбюратора, форсунок с высоким давлением, системы зажигания, клапанов, свечей. Давление в цилиндре, хотя и повышается почти до 200 атм, но не взрывом, как в двигателе внутреннего сгорания, а плавно. На двигателе не нужны глушители. Ромбовидный кинематический привод поршней полностью уравновешен. Никаких вибраций, никакого дребезжания.
Говорят, что, даже приложив руку к двигателю, не всегда удается определить, работает он или нет. Эти качества автомобильного двигателя особенно важны, ибо в крупных городах остро стоит проблема снижения шума.
А вот другое качество — «всеядность». По сути дела, нет такого источника тепла, который не годился бы для привода «стирлинга». Автомобиль с таким двигателем может работать на дровах, на соломе, на угле, на керосине, на ядерном горючем, даже на солнечных лучах. Он может работать на теплоте, запасенной в расплаве какой-нибудь соли или окисла. Например, расплав 7 литров окиси алюминия заменяет 1 литр бензина. Подобная универсальность не только сможет всегда выручить водителя, попавшего в беду. Она разрешит остро стоящую проблему задымления городов. Подъезжая к городу, водитель включает горелку и расплавляет соль в баке. В черте города топливо не сжигается: двигатель работает на расплаве.
А регулирование? Чтобы сбавить мощность, достаточно выпустить из замкнутого контура двигателя в стальной баллон нужное количество газа. Автоматика сразу же уменьшает подачу топлива так, чтобы температура оставалась постоянной независимо от количества газа. Для повышения мощности газ нагнетается из баллона снова в контур.
Вот только по стоимости и по весу «стирлинги» пока уступают двигателям внутреннего сгорания. На 1 л. с. у них приходится 5 кг, что намного больше, чем у бензинового и дизельного моторов. Но не следует забывать, что это еще первые, не доведенные до высокой степени совершенства модели.
Теоретические расчеты показывают, что при прочих равных условиях «стирлинги» требуют меньших давлений. Это — важное достоинство. И если у них найдутся еще и конструктивные преимущества, то не исключено, что именно они окажутся самым грозным соперником двигателей внутреннего сгорания в автомобилестроении. А вовсе не турбины.

«Стирлинг» от компании GM

Серьезная работа по усовершенствованию двигателя внешнего сгорания, начавшаяся через 150 лет после его изобретения, уже принесла свои плоды. Предложены различные конструктивные варианты двигателя, работающего по циклу Стирлинга. Есть проекты моторов с наклонной шайбой для регулирования хода поршней, запатентован роторный двигатель, в одной из роторных секций которого происходит сжатие, в другой — расширение, а подвод и отвод тепла осуществляется в соединяющих полости каналах. Максимальное давление в цилиндрах отдельных образцов доходит до 220 кГ/см², а среднее эффективное давление — до 22 и 27 кГ/см² и более. Экономичность доведена до 150 г/л.с./час.
Наибольшего прогресса достигла компания General Motors, которая в 1970-е годы построила V-образный «стирлинг» с обычным кривошипно-шатунным механизмом. Один цилиндр у него рабочий, другой — компрессионный. В рабочем находится только рабочий поршень, а поршень-вытеснитель — в компрессионном цилиндре. Между цилиндрами расположены подогреватель, регенератор и охладитель. Угол сдвига фаз, иначе говоря угол отставания одного цилиндра от другого, у этого «стирлинга» равен 90°. Скорость одного поршня должна быть максимальной в тот момент, когда скорость другого равна нулю (в верхней и нижней мертвых точках). Смещение фаз в движении поршней достигается расположением цилиндров под углом 90°. Конструктивно это самый простой «стирлинг». Но он уступает двигателю с ромбическим кривошипным механизмом в уравновешенности. Для полного уравновешивания сил инерции в V-образном двигателе число его цилиндров должно быть увеличено с двух до восьми.

Принципиальная схема V-образного «стирлинга»:
1 — рабочий цилиндр;
2 — рабочий поршень;
3 — подогреватель;
4 — регенератор;
5 — теплоизолирующая муфта;
6 — охладитель;
7 — компрессионный цилиндр.

Рабочий цикл в таком двигателе протекает следующим образом.
В рабочем цилиндре 1 газ (водород или гелий) нагрет, в другом, компрессионном 7 — охлажден. При движении поршня в цилиндре 7 вверх газ сжимается — такт сжатия. В это время начинает двигаться вниз поршень 2 в цилиндре 1. Газ из холодного цилиндра 7 перетекает в горячий 1, проходя последовательно через охладитель 6, регенератор 4 и подогреватель 3 — такт нагревания. Горячий газ расширяется в цилиндре 1, совершая работу, — такт расширения. При движении поршня 2 в цилиндре 1 вверх газ перекачивается через регенератор 4 и охладитель 6 в цилиндр 7 — такт охлаждения.
Такая схема «стирлинга» наиболее удобна для реверсирования. В объединенном корпусе подогревателя, регенератора и охладителя (об их устройстве речь пойдет позже) для этого сделаны заслонки. Если перевести их из одного крайнего положения в другое, то холодный цилиндр станет горячим, а горячий — холодным, и двигатель будет вращаться в обратную сторону.
Подогреватель представляет собой набор трубок из жаростойкой нержавеющей стали, по которым проходит рабочий газ. Трубки нагреваются пламенем горелки, приспособленной для сжигания различных жидких топлив. Тепло от нагретого газа запасается в регенераторе. Этот узел имеет большое значение для получения высокого КПД. Он выполнит свое назначение, если будет передавать примерно в три раза больше тепла, чем в подогревателе, и процесс займет меньше 0,001 секунды. Словом, это быстродействующий аккумулятор тепла, причем скорость теплопередачи между регенератором и газом составляет 30 000 градусов в секунду. Регенератор, КПД которого равен 0,98 единицы, состоит из цилиндрического корпуса, в котором последовательно расположены несколько шайб, изготовленных из проволочной путанки (диаметр проволоки 0,2 мм). Чтобы тепло от него не передавалось холодильнику, между этими агрегатами установлена теплоизолирующая муфта. И наконец, охладитель. Он выполнен в виде водяной рубашки на трубопроводе.
Мощность «стирлинга» регулируется изменением давления рабочего газа. Для этой цели двигатель оборудуется газовым баллоном и специальным компрессором.

Достоинства и недостатки

Чтобы оценить перспективы применения «стирлинга» на автомобилях, проанализируем его достоинства и недостатки. Начнем с одного из важнейших для теплового двигателя параметров, так называемого теоретического КПД Для «стирлинга» он определяется следующей формулой:

η = 1 — Тх/Тг

где η — КПД, Тх — температура «холодного» объема и Тг — температура «горячего» объема. Количественно этот параметр у «стирлинга» — 0,50. Это значительно больше, чем у самых лучших газовых турбин, бензиновых и дизельных двигателей, у которых теоретический КПД соответственно равен 0,28; 0,30; 0,40.
Как двигатель внешнего сгорания. стирлинг» может работать на различных топливах: бензине, керосине, дизельном, газообразном и даже на твердом. Такие характеристики топлива, как цетановое и октановое числа, зольность, температура выкипания при горении вне цилиндра двигателя, для «стирлинга» не имеют значения. Чтобы он работал на разных топливах, не требуется больших переделок — достаточно лишь заменить горелку.
Двигатель внешнего сгорания, в котором горение протекает стабильно с постоянным коэффициентом избытка воздуха, равным 1.3. выделяет значительно меньше, чем двигатель внутреннего сгорания, окиси углерода, углеводородов и окислов азота.
Малая шумность «стирлинга» объясняется низкой степенью сжатия (от 1,3 до 1,5). Давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом, как в бензиновом или дизельном двигателе. Отсутствие колебаний столба газов в выпускном тракте определяет бесшумность выхлопа, что подтверждено испытаниями двигателя, разработанного фирмой «Филлипс» совместно с фирмой Ford для автобуса.
«Стирлинг» отличается малым расходом масла и высокой износостойкостью благодаря отсутствию в цилиндре активных веществ и относительно низкой температуре рабочего газа, а надежность его выше, чем у известных нам двигателей внутреннего сгорания, так как в нем нет и сложного газораспределительного механизма.
Важное преимущество «стирлинга» как автомобильного двигателя — повышенная приспособляемость к изменениям нагрузки. Она, например, на 50 процентов выше, чем у карбюраторного мотора, за счет чего можно уменьшить число ступеней в коробке передач. Однако совсем отказаться от сцепления и коробки передач, как в паровом автомобиле, нельзя.
Но почему же двигатель с такими очевидными достоинствами до сих пор не нашел практического применения? Причина проста — у него немало еще неустраненных недостатков. Главнейшие среди них — большая сложность в управлении и регулировке. Существуют и другие «рифы», которые не так просто обойти и конструкторам и производственникам.— в частности, поршням нужны очень эффективные уплотнения, которые должны выдерживать высокое давление (до 200 кГ/см2) и препятствовать попаданию масла в рабочую полость. Во всяком случае, 25-летняя работа фирмы «Филлипс» по доводке своего двигателя пока не смогла сделать его пригодным для массового применения на автомобилях. Немаловажное значение имеет характерная особенность «стирлинга» — необходимость отводить с охлаждающей водой большое количество тепла. В двигателях внутреннего сгорания значительная часть тепла выбрасывается в атмосферу вместе с отработавшими газами. В «стерлинге» же в выхлоп уходит только 9 процентов тепла, получаемого при сгорании топлива. Если в бензиновом двигателе внутреннего сгорания с охлаждающей водой отводится от 20 до 25 процентов тепла, то в «стирлинге» — до 50 процентов. Это значит, что автомобиль с таким двигателем должен иметь радиатор примерно в 2—2.5 раза больше, чем у аналогичного бензинового мотора. Недостатком «стирлинга» является и его высокий удельный вес по сравнению с распространенным ДВС. Еще довольно существенный минус — трудность повышения быстроходности: уже при 3600 об/мин значительно возрастают гидравлические потери и ухудшается теплообмен. И наконец. «стирлинг» уступает обычному двигателю внутреннего сгорания в приемистости.
Работы по созданию и доводке автомобильных «стирлингов», в том числе для легковых машин, продолжаются. Можно считать, что в настоящее время принципиальные вопросы решены. Однако еще много дел по доводке. Применением легких сплавов можно понизить удельный вес двигателя, но он все равно будет выше. чем у мотора внутреннего сгорания, из-за более высокого давления рабочего газа. Вероятно, двигатель внешнего сгорания найдет применение в первую очередь на грузовых автомобилях, особенно военных — благодаря своей нетребовательности к топливу.

Устройство и принцип работы двигателя Стирлинга, модификации

Новые двигатели современного автомобилестроения почти достигли своего пика, кажется уже нечего усовершенствовать. Добавление в систему ДВС турбонаддува повышает мощность, но уменьшает ресурс двигателя, оно и понятно, объем двигателя небольшой, а из него выжимают мощь, как у мотора большего объема, но без турбины. Инженеры автоиндустрии начинают перебирать все возможные направления в развитие двигателестроения. Некоторые разрабатывают супертопливо, некоторые ищут нестандартные конструкции силового агрегата, некоторые планируют создать современный двигатель на базе двигателя Роберта Стирлинга, который был создан в 19 веке. Сейчас продаются сувениры ДВС, купить двигатель Стирлинга можно и на алиэкспресс.

Содержание статьи:

1. 1. Схема работы ДВС Стирлинга:
   2. Плюсы двигателя Стирлинга.
   3. Минусы конструкции ДВС Стирлинга.
   4. КПД.
   5. Опыт использования двигателя.
   6. Видео.

 

Схема работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга — это устройство, которое преобразует внешнюю энергию в полезную механическую. Это достигается за счет изменения температуры жидкости или газа, циркулирующие в замкнутой системе двигателя.

Кто понимает физические законы, тому легко понять принцип работы любого двигателя. Что касается данного силового агрегата, то схема его выглядит следующим образом: внизу устройства устройства находится газ, например, воздух, который нагревается и расширяясь толкает поршень. Затем горячий воздух попадает в верхнюю часть ДВС и охлаждается радиатором. Избыточное давление, которое толкало поршень снижается, и поршень опускается, затем воздух опять нагревается и поднимает поршень. Так повторяются циклы.

 

Три основных варианта двигателя Стирлинга

Модификация Альфа

Мотор устроен таким образом, что он имеет и горячий цилиндр-поршень, и холодный цилиндр-поршень. Горячий поршень толкается от расширения воздуха, а холодный расположен в системе охлаждения и движется от остывания воздуха.

Модификация Бета

Данная конструкция предполагает, что цилиндр и поршень нагреваются с одной стороны и охлаждаются с другой. Поршень толкает в сторону холодной части, а вытеснитель толкает в сторону горячей. Регенератор перемещает остывший воздух в горячий рабочий объем цилиндра.

 

Модификация Гамма

Устройство данной модификации состоит из двух цилиндров и поршней. Имеет регенератор циркуляции газа. Один цилиндр горячий с одной стороны и холодный с другой, в нем поршень и вытеснитель. Второй цилиндр полностью холодный, там только поршень.

Плюсы двигателя Стирлинга

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

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

Ресурс двигателя Стирлинга — больше 100 тысяч работы без остановки.

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

Конструкция двигателя Бета

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

 

Минусы двигателя Стирлинга

Невозможно в настоящее время массовое применения данного вида двигателя. Для таких агрегатов требуется большие радиаторы охлаждения. Теплообменник должен быть сделать из материалов, устойчивых к высоким температурным воздействиям.

 

Коэффициент полезного действия

КПД от разности температур в двигателе может достигать около 70%. По циклу Карно на графике КПД выглядит следующим образом.

На практике был установлен 4-х цилиндровый двигатель Стирлинга на автомобиль был установлен вначале 20 века и выдал 35% КПД.

Американская автомобильная компания Mechanical Technology Inc (Меканикал Технолоджи Инкопорейтед) создает двигатели Стирлинга. Их ДВС выдают КПД 43,5%.

 

Примеры успешного применения двигателей Стирлинга

Во второй половине 20 века несколько компаний начали разрабатывать моторы Стирлинга и устанавливать их на легковые автомобили. Успешные модели оказались у таких компаний, как Ford Motor Company, Volkswagen Group, UNITED STIRLING (Швеция), General Motors, модель Стирлинга «Philips 4-125DA» (Нидерланды).

 

Видео

Фильм «Роберт Стирлинг и его двигатель».

Как работает двух цилиндровый вакуумный двигатель.

Автор публикации

15 Комментарии: 25Публикации: 324Регистрация: 04-03-2016

Программа расчёта двигателя стирлинга cl-stirling-engine — Двигатели Стирлинга

Я написал программу расчёта Стирлинга. Программа с открытыми исходными текстами, написана на Common Lisp.

 

https://bitbucket.or…stirling-engine

 

Спрашивали про методику. Отвечаю. Ближайший родственник — это программа Уриели из интернета.

 

На странице моей программы кое-что написано:

• Двигатель разбит на области расширения, нагрева, две области регенатора, холодильник, область сжатия
  
• Все ячейки являются не изотермическими
  
• Теплообмен и гидравлическое сопротивление вычисляются в каждый момент времени
  
• Теплообмен и гидравлическое сопротивление вычисляются в соответствии с режимом течения (ламинарным, переходным и турбулентным)
  

Дополняю:

 

Записаны в каждой ячейке и на границах уравнения состояния и закон сохранения массы. Давление в каждой ячейке своё.

Поток между ячейками определяется нефизично. Для этого используются данные из инженерных справочников о гидравлическом сопротивлении каждой ячейки и поток по некоторому алгоритму подгоняется, чтобы быть по величине близким к тому, что должно быть исходя из справочников.

 

При завершении каждого круга контролируется точность алгоритма вычисления потока. Если осцилляции, вызванные неустойчивостью, сопоставимы с падением давления в газовом тракте, об этом выдаётся предупреждение.

 

Почему так сложно? Проблема в том, что двигатель стирлинга физически неустойчив, в нём возникают акустические волны. Соответствующая система диффуров тоже склонна к осцилляциям. Нефизичный закон перетекания понадобился для того, чтобы подавить эти осцилляции.

 

Как в программе Уриели из интернета (Ohio State University, http://www.ohio.edu/…ling/me422.html),

фиксируется частота вращения и делается несколько оборотов коленвала. Поскольку расчёт идёт медленно, количество оборотов контролируется вручную. Меняется не только температура газа, но и температура металла в регенераторе, поэтому до полной сходимости могут понадобиться десятки оборотов. Обычно я делаю не более 10.

 

Программа некоторое время назад выборочно сравнивалась по КПД и мощности с результатами тестов машины GM 4L23, опубликованных в книгах Мартини. Было принято, что механический КПД=0,9, а КПД топки — 0,8. Тогда

получилась хорошее совпадение с опытом по КПД. Отношение реального КПД к предсказанному находится в диапазоне: 0,81 .. 1,04. Понятно, что без учёта нюансов механических потерь и потерь топки невозможно точно предсказать КПД в широком диапазоне режимов, поэтому дальнейшие попытки улучшить точность тут заведомо тщетны.

 

По мощности совпадение хуже: отношение реальной мощности к предсказанной — в диапазоне 0,75 .. 1,3.

Даже это не так уж плохо. Потому что даже CFD даёт погрешность до 1,5 раз. И в общем-то предсказание КПД важнее, поскольку именно КПД у стирлингов является слабым местом.

 

На сегодня эти тесты устарели, поскольку программа с тех пор существенно развилась, например, добавлен расчёт потерь от перепада давления в зазоре вытеснителя. Также для оценки правильности программы в целом нужно быть уверенными в правильности расчёта конкретных видов теплообменников, а это довольно сложно. Делались тесты сравнения с некоторыми другими (маленькими) машинами, однако из-за неопределённости механических потерь и потерь топки, толком из этих тестов нельзя сделать никаких выводов.

 

Во всяком случае, проводилось модульное тестирование для некоторых видов теплообменников, если это было возможно и не слишком уж лень.

Изменено 10.06.2015 07:45 пользователем denis2

Таблица КПД двигателя стирлинга | Статьи о строительстве и ремонте

Итак, в продолжение поста График КПД идеального двигателя Стирлинга хочу привести таблицу, в которой больше расчётных значений. Также на основе некоторых полученных цифр покажу интересные и используемые в практике температуры.

Таблица КПД двигателей Стирлинга

Берём, к примеру, распространённый низкотемпературный Стирлинг, который работает от тепла рук. Смотрим строку, где температура нагревателя равна 36 градусов Цельсия (выделено бежевым) и какие результаты мы видим? А видим, что при температуре холодильника в 30°С (теплый летний день) КПД составит всего 1,94%, а при температуре 20°С (температура в помещении) КПД будет уже 5,18%. Ну и при нуле (положим на радиатор двигателя кусочек льда) — 11,64%, а это уже в 6 раз больше, чем в тёплый летний день!

Для расчёта мощности стирлинга вы можете воспользоваться калькулятором.

Ещё два значения (выделены зелёным):

Тхол=-30°С , Тнагр=6°С  — это значения температуры воздуха, например, в северной части России зимой и температура земли на глубине более 0,5 метра. Это к вопросу об использовании тепловой энергии земли для генерации энергии в зимний период. КПД при заданных значениях будет 12.9%

Тхол=6°С , Тнагр=60°С (или 80°С или…) -это для энтузиастов, которые строят двигатель с нагревом от солнечных лучей. Тут опять же рассчитано охлаждение двигателя температурой недр (вкопанные радиаторы на глубине более 0,5 метра или скважина, или водоём), а температура нагревателя зависит от энергии солнечных лучей. При этом максимальную температуру нагревателя можно увеличивать при помощи дополнительных зеркал или т.н. концентраторов. Таким образом при Тнагр=60°С КПД=16,21%, а при Тнагр=100°С КПД=25,19%. Ну и так далее по таблице. Собираете высокотемпературный Стирлинг, ставите его в центр концентратора и генерите и генерите экологически чистую энергию )))

Все данные получены при помощи калькулятора КПД двигателя стирлинга. Можете сами проверить.

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

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

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

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

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

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

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

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

Термодинамическая теория идеального двигателя Стирлинга

Двигатели

Стирлинга — одно из тех устройств, которые очаровывали многих инженеров (включая меня) на протяжении многих лет, особенно когда мы молоды и впечатлительны, прежде чем стали слишком цинично относиться к миру. Кроме того, это одна из тех технологий, которые не получили широкого распространения, несмотря на призывы пользователей YouTube к «бесплатной энергии», поэтому очевидно, что это не идеальное решение для многих проблем, но для некоторых приложений они действительно удобные движки.

Команда Midé недавно потратила много времени на запуск и запуск нового проекта Стирлинга для морской пехоты США. Я выбрал для этого случая двигатель цикла Стирлинга из-за его естественно высокого КПД и того, что это двигатель внешнего сгорания. Чтобы поддержать этот проект, мне нужно было провести значительный объем исследований по теории двигателей Стирлинга, чтобы мы могли лучше разработать решение для наших военных. В этом посте я поделюсь с вами некоторыми основами, которые я изучил, и предоставлю инструмент, который поможет визуализировать цикл Стирлинга.Надеюсь, этот инструмент поможет вам дважды проверить некоторые из основных вычислений, которые вы, возможно, захотите выполнить, а также предоставит удобный способ построения некоторых свойств для идеального цикла Стирлинга. Вы можете найти калькулятор на этой странице: Калькулятор идеального цикла Стирлинга

.Конфигурации двигателя Стирлинга

— обновлено 30.03.2013 Конфигурации двигателя Стирлинга

— обновлено 30.03.2013

Глава 2а — Двигатели Альфа Стирлинга

Механические конфигурации двигателей Стирлинга обычно делится на три группы, известные как Alpha , Бета , и Гамма договоренности. Двигатели Alpha имеют два отдельных поршня. цилиндры, которые соединены последовательно нагревателем, регенератором и кулер. В двигателях Beta и Gamma используются поршневые вытеснители. устройств, двигатель Beta имеет как вытеснитель, так и поршень в системе рядных цилиндров, в то время как двигатель Gamma использует отдельные цилиндры.

Движок Alpha концептуально простейший Однако конфигурация двигателя Стирлинга страдает недостатком что и горячий, и холодный поршни должны иметь уплотнения, чтобы удерживать рабочий газ. Существует ряд механических механизмов, которые позволяют этот тип двигателя для правильной работы с правильной фазировкой два поршня. Отличная анимация движка V-type Alpha разработан Ричардом Уилером ( Zephyris ) из Википедия показан ниже:

Энди Росс из Колумбуса, штат Огайо, проектировал и производство малых авиационных двигателей с 1970-х годов, в том числе чрезвычайно инновационный дизайн Alpha.Он является изобретателем классического Росс Двигатель с коромыслом, а также сбалансированный механизм «Rocker-V», оба показаны ниже.

Обратитесь к восхитительной книге Энди Росса: Making Двигатели Стирлинга (Ross Experimental, 1993). Двигатель D-90 Yoke Drive Alpha Stirling описан в его Книга будет использована в качестве основного примера данного веб-ресурса. В Университет Огайо у нас есть лаборатория модель приводного двигателя Д-90 Хомут, который нагревается электрически, чтобы точно определить тепло входная мощность. Мэтт Кевени сделала анимационный показ четко принципы работы Росс коромысло-рычажный механизм . Этот оригинальный механизм для передачи движения двойного поршня в вращательное движение минимизирует боковые силы поршня, как правило встречался на штатном коленчатом механизме.

Совсем недавно Энди Росс придумал сбалансированный Конструкция механизма Rocker-V. Он опубликовал статью о модели. Локомотив Climax, который он построил с использованием небольшого (20 куб. См) Rocker-V двигатель, и позволил мне сохранить копию этой статьи « A Локомотив кульминации класса А «.Число из них Rocker-V двигатель s был построен студентами для Старший Класс Design в Университете Огайо в 2001 году, и также будет использоваться в качестве примера этого веб-ресурса. Один из Многие видео Энди Росса на YouTube демонстрируют уникальный сбалансированный двойной V Двигатель Alpha , в котором не используется секция теплообменника, протянувшаяся поперек В.

Холодный Energy, Inc из Боулдера, Колорадо, имеют разрабатывает низкотемпературные (150 ° C — 400 ° C) Alpha Stirling системы двигатель / генератор с 2006 г. (См. их Продукт История развития) .Это включало полная система когенерации солнечной энергии и тепла для домашнего использования из них эвакуированных трубчатые солнечные тепловые коллекторы , тепловые системы хранения, горячей воды и обогреватели, а также SolarHeart Двигатель / генератор Стирлинга. В настоящее время они концентрируясь на системах утилизации отходящего тепла (См .: Cool Обзор двигателя Energy ThermoHeart 25 кВт ) с использованием четырехцилиндрового двигателя Alpha, как описано в документе представлен на 2016 Международная конференция по двигателям Стирлинга, автор команда Cool Energy: 25 кВт Низкотемпературный двигатель Стирлинга для рекуперации тепла, солнечной энергии и биомассы Приложения ).

Многоцилиндровые двигатели Alpha Stirling

Движок Alpha можно также объединить в компактная конфигурация с несколькими цилиндрами, обеспечивающая чрезвычайно высокую удельная выходная мощность. Принципиальная схема этой конфигурации показано ниже. Обратите внимание, что четыре цилиндра связаны между собой, поэтому что пространство расширения одного цилиндра соединено с пространство сжатия соседнего цилиндра через последовательно соединенные нагреватель, регенератор и охладитель. Поршни обычно приводятся в движение наклонная шайба, приводящая к чисто синусоидальному возвратно-поступательному движению разность фаз между соседними поршнями составляет 90 градусов.

Пример 4-цилиндрового двигателя Alpha с наклонной шайбой показано ниже. Этот двигатель был первоначально разработан Stirling. Thermal Motors (позже STM Корпорация , однако, больше не в рабочем состоянии).

Во время 1970-е годы — NV Philips из Голландии и Ford Motor Company разработан экспериментальный автомобильный двигатель — четырехцилиндровый двигатель с наклонной шайбой, как показано на следующей фотографии:

Это двигатель Ford-Philips 4-215 используется в качестве примера в книга И.Уриэли и Д.М. Берховиц — Двигатель цикла Стирлинга Анализ (Адам Хильгер, 1984), страницы 25 — 31. Это будет один из тематические исследования этого учебного ресурса, и поскольку книга вышла из print, эти страницы были добавлены сюда для удобства: Ford-Philips.pdf .

Уильям Бил из Sunpower, Inc придумала интересный конфигурация, сочетающая в себе четырехцилиндровый двигатель Alpha со свободным поршнем с выходным каскадом газовой турбины, как показано на следующей схеме диаграмма:

Четыре цилиндра физически скомпонованы с 90 степень разности фаз с каждым поршнем, подключенным к газу компрессор.Затем газовые компрессоры используются для привода газовой турбины. расширитель, как показано. Главное преимущество этой системы — обещание высокой удельной мощности и, самое главное, высокой надежности и срок службы из-за отсутствия сильно нагруженных движущихся частей, так как на подшипники скольжения отсутствуют боковые нагрузки.

На эскизе показаны газовые компрессоры одностороннего действия для простота, однако реальная машина будет использовать двойное действие компрессоров так, чтобы на турбине было восемь импульсов газа для каждый цикл четырехцилиндровой машины.

______________________________________________________________________________________

Анализ машины цикла Стирлинга Израиль Уриэли находится под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Соединенные Штаты Лицензия

.

Анализ машины цикла Стирлинга (обновлено 21 марта 2016 г.)

Анализ машины цикла Стирлинга (обновлено 21 марта 2016 г.)

Анализ машины цикла Стирлинга

от Израиль Urieli (последнее обновление 24.05.2020 )

, посвященный Уильяму Т. Бил (1928 — 2016), изобретатель Свободнопоршневой двигатель Стирлинга,
Mentor and Friend

Этот веб-ресурс предназначен исключительно для самостоятельной содержит обучающий ресурс для анализа и развития компьютерное моделирование однофазного цикла Стирлинга поршень / цилиндр машины.Он включает термодинамику, теплопередачу и поток жидкости. фрикционный анализ, и до 2012 года использовался как ресурсный материал для повышения квалификации по специальностям «Машиностроение». Курс структура была основана на книге И. Уриэли и Д. М. Берховица. «Анализ двигателя цикла Стирлинга» (Адам Хильгер, 1984). Компьютер программные модули моделирования (изначально написанные на FORTRAN) имеют все обновлен и переписан в MATLAB, удобном интерактивном язык, который позволяет прямой графический вывод — важно для Анализ цикла Стирлинга.Полный набор всех м-файлов разработаны и предоставлены, и они могут быть расширены и адаптированы как необходимо для определенных конфигураций двигателя / холодильника.

Данный веб-ресурс находится под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Аналогично 3.0 Лицензия США и как такое есть в свободном доступе. Комментарии и конструктивная критика приветствуется автором.

Этот учебный ресурс включает набор руководств. Компьютерные программные модули MATLAB для моделирования конкретного Стирлинга конфигурации двигателя.Полный набор m-файлов можно скачать в сжатом формате sea.zip ( море = с вращение и двигатель — анализ ). Эти модули можно дополнять и адаптировать. как требуется для моделирования конкретной конструкции двигателя. В настоящее время модули двигателя предназначены для машин Alpha, включая синусоидальный привод, привод Ross Yoke и двигатель Ross Rocker-V. Теплообменник типы включают трубчатые теплообменники, теплообменники с кольцевым зазором и щелевые теплообменники, а Типы матриц регенератора включают сетку экрана и рулонную фольгу матрицы.Типы рабочих газов включают воздух, гелий и водород.

Обратите внимание, что цель этого учебного ресурса — научиться ценить и понимать сложность практическое моделирование рабочих характеристик машины цикла Стирлинга, в основном благодаря к процессам теплообмена. Он не предназначен в качестве альтернативы к Sage Программа для инженерного моделирования и оптимизация машин цикла Стирлинга.

___________________________________________________________________________________________
За исключением для верхнего и нижнего колонтитула Университета Огайо, включая их графику, Анализ машины цикла Стирлинга, Израиль Уриэли находится под лицензией Creative Общедоступное авторское право — Некоммерческое использование — Совместное использование 3.0 США Лицензия

.

Как сделать свои собственные двигатели Стирлинга, планы и комплекты • Двигатель Стирлинга своими руками

☰ Меню

Основные сведения о двигателе Стирлинга

Как сделать планы двигателей Стирлинга своими руками, основы цикла тепловых двигателей и множество самодельных примеров.

Эта информация предназначена для того, чтобы помочь вам принять более обоснованные решения при выборе двигателя Стирлинга своими руками. Кроме того, чтобы помочь вам понять различные типы двигателей Стирлинга и принципы их работы.

Изображение Arsdell (собственная работа) [GFDL или CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0], через Wikimedia Commons

Что такое двигатель Стирлинга?

Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель с замкнутым циклом. Обычно он полностью изолирован от внешней среды и работает над расширением и сжатием газа (обычно воздуха), заключенного в герметичном двигателе. Топливо не проходит через двигатель, как в обычном двигателе внутреннего сгорания. Это означает, что нет ни впуска, ни выпуска.

Одна сторона двигателя нагревается, а другая охлаждается.Это заставляет газ проходить циклы расширения и сжатия. Это означает, что он может производить движение, преобразовывая тепловую энергию непосредственно в кинетическую энергию или механическую работу.

Двигатель снаружи показывает только его движущиеся части, источник тепла и источник охлаждения. Помните, что топливо не проходит через двигатель, потому что он полностью герметичен снаружи.

Есть много типов двигателей Стирлинга. Есть двигатели высокого давления, которые используются в коммерческих целях.Есть восстановленные двигатели низкого давления, которые используются для демонстрации. Есть настольные модели двигателей, созданные любителями и студентами.

Вы можете найти модели или комплекты почти для всех конфигураций двигателей Стирлинга, включая двигатели LTD (низкотемпературный дифференциал). LTD может работать на тепле ладони.

Используемые виды топлива

Stirling традиционно классифицируется как двигатель внешнего сгорания. Хотя при правильном применении любой источник тепла будет работать на двигатель Стирлинга.Это означает, что источник тепла не ограничивается только горением.

Вот список некоторых возможных источников тепла:

• Солнечная энергия
• Геотермальная энергия
• Атомная энергия
• Уголь
• Бензин
• Спирт
• Природный газ
• Пропан
• Дерево
• Все, что может сжечь

Различные типы тепловых двигателей

Английский пользователь Википедии Эндрю.Эйнсворт [GFDL или CC-BY-SA-3.0], через Wikimedia Commons

Тепловые двигатели обычно считаются двигателями Стирлинга. Они названы в честь Роберта Стирлинга, изобретателя, который в 1816 году создал первый практичный и пригодный для использования тепловой двигатель. Однако существует много типов тепловых двигателей или двигателей внешнего сгорания, разработанных многими другими изобретателями. Некоторые из них используют пар в качестве газообразного рабочего тела. Другие используют воду под высоким давлением, ограниченную таким образом, чтобы она не превращалась в пар.

Имена для поиска

• Двигатель горячего воздуха Робинсона
• Двигатель горячего воздуха Хейнрици
• Двигатель Ericsson
• Двигатель Malone
• Двигатель цикла Ренкина

Основные сведения о работе

YK Times на en.wikipedia [GFDL, CC-BY-SA-3.0 или CC-BY-2.5], из Wikimedia Commons

Во многих двигателях Стирлинга давление газа внутри двигателя почти равно внешнему атмосферному давлению.Есть фиксированная масса газа, обычно воздуха, гелия или водорода. Когда вы нагреваете двигатель снаружи, газ расширяется и выталкивает поршень. Когда вы его охлаждаете, газ сжимается, и поршень возвращается внутрь под действием внешнего атмосферного давления. Это преобразует тепловую энергию в механическую энергию или работу.

Но нагрев всего двигателя и его охлаждение неэффективны. Потому что для этого потребовалось бы, чтобы источник нагрева и охлаждения снова и снова перемещался в исходное положение.Поэтому должен быть способ одновременно нагревать и охлаждать двигатель. Это достигается перемещением или циклической сменой газа внутри двигателя от горячей стороны к холодной.

Поплавок механически перемещает газ между нагретым участком и охлаждаемым участком. Вытеснитель представляет собой легкий поршень, который не контактирует с внутренней частью двигателя Стирлинга. Газ может двигаться вдоль буйка. Он движется вперед и назад, занимая пространство внутри двигателя, перемещая газ из стороны в сторону.

Когда поплавок находится на холодной стороне, газ выталкивается на горячую сторону, и он расширяется. Когда вытеснитель находится на горячей стороне, газ выталкивается на холодную сторону и сжимается. Это упрощенное объяснение цикла Стирлинга, который представляет собой тип термодинамического цикла. Это циклическое действие необходимо правильно рассчитать. Его можно механически синхронизировать по-разному. Вот почему существует так много типов и конфигураций тепловых двигателей.

Типы двигателей Стирлинга

• Двигатель Alpha Stirling
• Бета-двигатель Стирлинга
• Двигатель Стирлинга Gamma
• Двигатель Стирлинга со свободным поршнем
• Роторно-поршневой двигатель Стирлинга
• Низкотемпературный двигатель

Отличное видео, объясняющее некоторые принципы работы двигателя Гамма Стирлинга.

Детали теплового двигателя

Вот краткое описание частей двигателя Стирлинга.Чтобы помочь вам лучше понять, что входит в самодельный двигатель Стирлинга.

Теплообменник горячей стороны

Это горячая сторона двигателя, с которой контактирует внешний источник тепла. Обычно это внешняя стенка камеры расширения и сжатия. Это также точка контакта для охлажденного газа. Иногда, чтобы собрать как можно больше тепла, площадь поверхности увеличивают с помощью внутренних или внешних ребер. Это работает как радиатор.

Теплообменник холодной стороны

Это часть двигателя, с которой контактирует нагретый газ.Он передает тепло газа наружному воздуху или охлаждающей жидкости. У него также могут быть плавники для повышения эффективности. В зависимости от конфигурации двигателя теплообменник холодной стороны может находиться на противоположном конце того же цилиндра, что и теплообменник горячей стороны, или на другой части двигателя.

Регенератор

Расположение регенератора зависит от конфигурации двигателя. Обычно регенератор представляет собой внутренний теплообменник, который временно хранит тепло, которое в противном случае было бы потеряно между горячим и холодным теплообменниками.Иногда вытеснитель изготавливается из материалов, которые позволяют ему также действовать как регенератор. Регенераторы внедрены в попытке повысить эффективность.

Вытеснитель

Это часть двигателя, которая перемещает или вытесняет газ (рабочую жидкость) из горячего теплообменника в холодный теплообменник.

Радиатор

Обычно используется на прохладной стороне, это может быть простая внешняя стенка двигателя, контактирующая с температурой окружающего воздуха.Хотя добавление ласт более эффективно. Также можно добавить радиатор, чтобы задействовать воду или охлаждающую жидкость.

Маховик

По отношению к двигателю маховик представляет собой большое тяжелое колесо. Он механически связан с поршнем (поршнями) двигателя. Его задача — придать машине импульс и помочь выполнить цикл Стирлинга на всем его протяжении. В большинстве тепловых двигателей используется маховик.

Поршень

Поршень обычно такой же, как и любой другой поршень, который скользит внутри цилиндра.Хотя есть некоторые конструкции двигателей Стирлинга, в которых в качестве силового поршня используется гибкая мембрана. Поршень выталкивается, когда рабочая жидкость (газ) расширяется настолько, что превышает внешнее атмосферное давление. Этому действию часто помогает использование маховика.

Видео самодельного двигателя Стирлинга своими руками

Конфигурации

Альфа-Стирлинг

Alpha Stirling имеет два силовых поршня, раздельные теплообменники горячего и холодного, регенератор и маховик.Теплообменник с горячей стороны содержит поршень, а теплообменник с холодной стороны — с поршнем. Обычно буйковый уровнемер не используется. Между двумя поршнями обычно существует большая разница температур. Это означает более высокую эффективность и преобразование большего количества энергии в работу. Alpha Stirling обычно предлагает более высокое соотношение мощности и веса и более быстрое вращение в минуту.

Бета-Стирлинг

Бета-модель Стирлинга имеет один силовой поршень и вытеснитель, которые используют один и тот же цилиндр.Теплообменники горячей и холодной воды также имеют один цилиндр. Один конец нагревается, а другой — остывает. Силовой поршень и вытеснитель часто соединяются маховиком.

Гамма Стирлинга

Gamma Stirling — это вариация Beta Stirling. Он имеет два цилиндра, один для силового поршня и один для буйка. Цилиндр силового поршня расположен вдоль той стороны цилиндра, в которой находится поршень буйка.Газ проходит через небольшой порт между двумя цилиндрами. Силовой поршень и вытеснитель часто соединяются маховиком. Некоторые используют регенератор, а некоторые нет.

Двигатель с кольцевой шайбой

Двигатель Стирлинга Ringbom является разновидностью двигателя Бета Стирлинга. Он также имеет два цилиндра и один силовой поршень. Силовой поршень расположен в собственном цилиндре, который расположен вдоль той стороны цилиндра, в которой находится поршень буйка. Силовой поршень — единственный поршень, соединенный с маховиком.Вытеснитель не подключен к силовому поршню или маховику. Вместо этого он может двигаться бесплатно. Поршень буйка плавно поднимается при расширении и опускается при сжатии.

Свободный поршень Стирлинга

Двигатель Стирлинга со свободным поршнем — относительно новая разработка. Обычно он соответствует поршневой системе Стирлинга типа Beta. Но маховика или механической связи такого типа нет. Скорее всего, они будут использоваться для выработки электроэнергии или для охлаждения.Это потому, что они только отвечают взаимностью. Это означает, что они идеально подходят для линейных генераторов переменного тока. Обычно это двигатели высокого давления.

Напор

Норберт Шницлер (собственная работа) [GFDL или CC-BY-SA-3.0], через Wikimedia Commons

Повышение рабочего давления помогает увеличить мощность и эффективность. Это означает, что двигатель запускается с большей массой газа. Чем больше молекул газа, тем больше тепла и больше работы можно делать.Philips MP1002 CA имеет рабочее давление выше атмосферного. Устройство на этом видео имеет начальное давление около 200 фунтов на квадратный дюйм. и рабочее давление около 160 фунтов на кв. дюйм .. Но это также означает, что двигатель должен быть сделан из более прочного материала и иметь более толстые стенки. Более толстые стенки затрудняют передачу тепла газу внутри двигателя. В большинстве имеющихся в продаже двигателей Стирлинга используется газ под давлением.

Тепловой двигатель, заставляющий замерзнуть

Термодинамический цикл Стирлинга можно запустить в обратном направлении с помощью внешнего источника энергии.Это приведет к нагреву одной стороны и охлаждению другой стороны. Проще говоря, двигатель Стирлинга может быть тепловым насосом. При вращении двигателя через его механические циклы газ внутри него сжимается и расширяется, нагревается и охлаждается соответственно. Охлаждение с помощью цикла Стирлинга в настоящее время коммерчески используется для криогеники и охлаждения.

© Sparks Information 2017

.