Термоакустический двигатель – двигатель Стирлинга без поршней. Альфа двигатель стирлинга


Альфа и Гамма типы двигателя Стирлинга - само НЕсовершенство

Я совсем не претендую на роль предсказателя, всезнайки или самого умного. Кстати, интересно, это только в России выражение «…ты чо, самый умный?…» является угрозой и оскорблением? Момент отступления от темы )). Но вот во что я упёрся, пытаясь делать выводы (можете также посмотреть статью Нелинейная зависимость КПД двигателя Стирлинга) . Дело в том, что сама конструкция двигателей типов альфа и гамма не предусматривает возможность «залезть» вытеснителю в цилиндр рабочего поршня (см. здесь).

Для тех кто в очередной раз изобрёл велосипед Круговое движение с переменным радиусом в двигателе Стирлинга! Рисунок в студию! Вот Альфа тип двигателя Стирлинга.

Схема двигателя Стирлинга Альфа-типаСхема двигателя Стирлинга Альфа-типа

А вот такой же, только другой )), рисунок двигателя Гамма типа.

Схема двигателя Стирлинга Гамма-типаСхема двигателя Стирлинга Гамма-типа

Отличие этих двигателей Стирлинга лишь в том, что у Альфы регенератор соединяет верхние части цилиндров вытеснителя и рабочего поршня, а у Гаммы верх рабочего поршня соединён через регенератор с нижней частью вытеснительного цилиндра. Ну и для этого присутствует перегородка (чёрная) снизу вытеснительного цилиндра. К тому же рабочее тело в вытеснительном цилиндре свободно перемещается из верхней зоны в нижнюю. На рисунке Гаммы уплотнительные кольца вытеснителя не прилегают вплотную к стенкам цилиндра (для данной конструкции).

Так вот, когда рабочие поршни в обоих типах двигателей находятся в нижней мёртвой точке (НМТ), для достижения максимальной схожести с идеальным циклом Стирлинга, нужно, чтобы мёртвый объём над рабочим поршнем стремился к нулю! Об этом подробнее в Законы движения поршней в идеальном цикле Стирлинга и в На что мы не обращаем внимания или спрятанный мёртвый объём в Стирлингах А этого нет. И не будет! Это связано с конструкционными особенностями данных типов (схем) двигателей. Вот они наши потери, вот оно — несовершенство. Я уверен, что можно поломать голову, покрутить и повертеть и усовершенствовать данные конструкции. Но пока факт остаётся фактом. Кстати, у двойной гаммы тоже идеального движения поршней не выйдет (см.  Конфигурация двигателя Стирлинга: двойная гамма).

А почему про Бета-тип я не говорю? Да потому что в бета схеме изначально заложена возможность приблизиться движению поршней к идеальному движению в период 3-4 в цикле Стирлинга. Смотрим Закон движения поршней в бета-Стирлинге с ромбическим приводом.

Кому интересна данная тематика, советую подписаться на новые статьи (форма справа). При выходе нового поста вам на почту будет падать сообщение.

domolov.ru

Twin alpha Stirling engine или двойная Альфа

Это не просто два альфа двигателя стирлинга, которые усажены на один коленвал. Здесь немного всё сложнее и интереснее. Речь идёт о конструкции, которая имеет три коленчатых вала, но на 360° поворачивается только один. Принцип не менее интересен, чем двойная гамма. Вот схемка.

 

Схема расположения цилиндров в двигателе Стирлинга по конфигурации двойной альфыДвойной Альфа Стирлинг

Два горячих цилиндра сидят на одном полу валу, два вытеснителя сидят на другом. Эти полу валы могут иметь диапазон качания от 0° до 180°. Это зависит от расстояния между поршнями и от длины их хода. Механика же их движения связана через промежуточный коленвал, который как раз и преобразует возвратно поступательные движения полу валов в полные обороты.

Достоинства такой компоновки заключаются в том, что мы используем известные нам КШМ, которые зарекомендовали себя с самой лучшей стороны, как в плане надёжности, так и в плане высокой технологичности и низкой стоимости. Также мы имеем возможность максимально приблизить движение наших шатунов к линейным. Это значительно уменьшает боковые силы, действующие поршнями на цилиндры.

Хочется также отметить, что ни у двойной гаммы, ни у двойной альфы вы не сможете приблизиться к идеальному движению поршней в конструкции. Смотрите статью Альфа и Гамма типы двигателя Стирлинга — само НЕсовершенство

Продолжая обыгрывать эту схему, мы можем к рабочим поршням добавить параллельно два вытеснителя, а к вытеснителям параллельно два рабочих поршня. Полученный «наворот» можно назвать дабл твин альфа (double twin alpha stirling) или на простом ломанном — сдвоенная двойная альфа. А ведь можно ещё параллельно вниз пустить по поршню и вытеснителю. В общем не хватало бабе огорода, купила баба порося )). Ну а теперь видео.

Углубляясь ещё дальше в дебри, мы можем предположить, что не очень эффективно снимать мощность с большого коленчатого вала, так как мы имеем значительные механические потери на передачи мощности. Если нам не «упёрлись» круговые движения, то можно ставить генератор прямо на полу вал у рабочих поршней и имея колебания нужной амплитуды через диодный мост снимать нашу преобразованную энергию нашим полу линейным (или полу круговым) генератором. Можно использовать генератор на магнитах. Да хоть как на картинках ниже.

 

Низкооборотистый генератор на постоянных магнитахГенератор на магнитах

 

Для предварительного расчёта предлагаю калькулятор мощности двигателя стирлинга.

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

domolov.ru

Термоакустический двигатель – двигатель Стирлинга без поршней / Хабр

Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий. Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно [1]. Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники [2]. К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа

Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.

Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.

Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.

Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.

В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга

На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.

Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.

Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.

В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).

Рисунок 3 — График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.

Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.

Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной

Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?

Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.

Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.

Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.

Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.

Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.

В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору [3].

Рисунок 6 – Схема импульсной турбины

Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине. А так турбина выглядит у них в реальности:

Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины

Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.

Что ж, будем продолжать пристально следить за развитием термоакустических двигателей.

Список использованных источников

[1] М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977. [2] Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986. [3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

habr.com

Стирлинг-лаборатория • просмотр темы — паровой движок стирлинга альфа-типа

http://www.popmech.ru/part/?articleid=1730

И так я поглядел статью и желаю отыскать в продаже эту штуковину либо отыскать детали, для самостоятельной сборки либо достать чертежи.

«»»

Воздушная машина преподобного Стирлинга

К седьмому небу

Дмитрий Мамонтов

Март 2007

19 сентября 1816 года, выдержав все положенные экзамены и испытательный срок, Роберт Стирлинг был назначен священником церкви Лэй-Кирк в Килмарноке (Шотландия). Но славу он заслужил совсем не чтением проповедей.

двигатель Стирлинга может стать красивым украшением письменного стола

Довольно зажечь спиртовку, и он практически бесшумно, с легким шелестом, раскручивается до рабочих оборотов

Юный пастор отличался незаурядным инженерным талантом. Во время учебы в институте Роберт работал над кандидатурой паровой машине. Легенда говорит, что его целью было уменьшить риск для рабочих: паровые машины нередко взрывались из-за низкого свойства деталей. Через неделю после предназначения в Килмарнок Роберт подал заявку на получение патента на «Устройство для экономии тепла». Конкретно оно послужило сердечком машины, прославившей имя Стирлинга.

Хотя сила пара была известна уже более 100 лет, теория термических машин находилась в зачаточном состоянии. Только в 1824 году Сади Карно опубликовал собственный именитый труд «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», где сделал два принципиальных вывода: во-1-х, движущая сила машин появляется не из поглощенного тепла, а из перекачанного от жаркого тела к прохладному, а во-2-х, мощность машин вырастает с повышением различия температуры меж жарким и прохладным телами.Эти выводы в форме второго начала термодинамики оказали большущее воздействие на конструкцию термических машин.

Но в 1818 году, когда совместно со своим другом Томасом Мортоном и младшим братом Джеймсом Стирлинг выстроил для откачки воды из каменоломни первую машину, работающую без пара (с воздухом в качестве рабочего тела), работ Карно еще не было. Все же Стирлинг совсем интуитивно выстроил двигатель практически с очень вероятной термодинамической эффективностью! В отличие от цикла Карно, рабочий цикл машины Стирлинга состоит из 2-ух изотерм (линий неизменной температуры) и 2-ух изохор (линий неизменного объема). В координатах T-S (температура–энтропия) он смотрится совсем не прямоугольным. Тогда каким же образом удается достигнуть теоретического максимума эффективности? Все дело в том самом патентованном «Устройстве для экономии тепла», либо, как его принято именовать в современной технике, регенераторе.

Машина Стирлинга – это двигатель наружного сгорания, в нем нет клапанов, а рабочее тело остается газообразным и циркулирует в замкнутом объеме. Он может работать при очень малой разнице температур от хоть какого источника тепла – от газовых горелок до солнечных концентраторов и даже тепла рук (последнее обожают показывать педагоги физики во время лекций по термодинамике). Конструкция машин ординарна, газ находится снутри под низким давлением, потому они более неопасны, чем паровые машины. При низких температурах двигатель Стирлинга даже более эффективен (в отличие от ДВС, бензинового двигателя). И он практически бесшумен, что может быть критично в неких случаях (к примеру, при движении субмарин в подводном состоянии).

Есть у этих движков и недочеты. Во-1-х, даже при довольно большенном теоретическом и практическом КПД для реализации большой мощности двигатель должен рассеивать огромное количество тепла, а это приводит к повышению размеров и возникновению массивных радиаторов остывания. Для роста мощности приходится наращивать разницу температур и давление рабочего тела, а это усложняет конструкцию. В отличие от ДВС, он не может «стартовать» сходу – для начала работы ему нужно достигнуть достаточной различия температур меж жаркой и прохладной частями. Вобщем, это типично для всех типов движков наружного сгорания, а «стирлинг» стартует все таки еще резвее, чем, скажем, паровая машина. Мощность работающего мотора Стирлинга очень тяжело оперативно поменять, разве что добавлением рабочего тела (такие решения есть, но приводят к усложнению конструкции). Кстати, воздух далековато не самое действенное рабочее тело. Водород благодаря собственной высочайшей теплопроводимости, теплоемкости и низкой вязкости еще более эффективен, но он имеет тенденцию проникать через уплотнители и к тому же огнеопасен (также достаточно нередко в качестве рабочего тела употребляют гелий).

Таким макаром, если нам не надо нередко запускать и останавливать машину, также поменять ее мощность и при всем этом у нас есть источник тепла, не плохое остывание и неограниченный размер – навряд ли существует что-то более подходящее, чем двигатель Стирлинга.

При жизни изобретателя двигатель не очень удачно пробовал соперничать с паровыми машинами. Один из движков мощностью в полсотни лошадиных сил с КПД около 10% (что превышало аналогичный показатель паровых машин), построенный Робертом и его младшим братом Джеймсом, пару лет проработал в литейном цехе в Данди посреди 1840-х. Потом жаркий цилиндр разорвался: тогда не было жаропрочных сталей, потому сделать надежные и долговременные детали машин из мягенького железа было проблематично. Вобщем, то же самое относилось и к паровым машинам. Может быть, потому Роберт Стирлинг в одном из собственных писем 1876 года особо отмечал значимость изобретения Генри Бессемера – процесса, который позволял получать не мягкое железо, а твердую и крепкую сталь, делающую паровые машины существенно более неопасными. Стирлинг выражал надежду, что сталь даст новейшую жизнь и его «машинам на воздухе». Но узреть этого он уже не успел – 6 июня 1878 года изобретатель погиб в шотландском городе Галстон в Восточном Айршире.

Сначала XX века на сцену вышли движки внутреннего сгорания, и машины Стирлинга, казалось бы, навечно остались в истории. Но в 1950-х к ним вновь появился энтузиазм благодаря голландской компании Philips, создавшей на базе конструкции Стирлинга эффективную криогенную машину (двигатель Стирлинга может работать как термический насос, преобразовывая механическую работу и перекачивая тепло от 1-го тела к другому). На данный момент и движки, и холодильные машины Стирлинга, реализованные на современном уровне, выпускаются многими большими компаниями. Они позволяют использовать хоть какое горючее (и вообщем любые источники тепла) и при всем этом более эффективны (КПД может достигать практически 40–45%) и существенно более экологичны, тихи и надежны, чем ДВС.

Альфа, бета, палитра

Как работает двигатель Стирлинга (альфа-тип): один из цилиндров повсевременно подогревается, а 2-ой охлаждается

Движки Стирлинга по конструкции делятся на три типа. У альфа-типа имеется два цилиндра, жаркий и прохладный, меж которыми размещен регенератор. У мотора бета-типа цилиндр всего один, жаркий с 1-го конца и прохладный с другого. Снутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, изменяющий объем жаркой полости. Газ перекачивается из прохладной части цилиндра в жаркую через регенератор. У гамма-типа тоже есть поршень и вытеснитель, но при всем этом два цилиндра – один прохладный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а 2-ой жаркий с 1-го конца и прохладный с другого (там движется вытеснитель). Регенератор соединяет жаркую часть второго цилиндра с прохладной и сразу с первым (прохладным) цилиндром.

КПД термических машин

Диаграмма T-S (температура-энтропия) термодинамических циклов

Работа хоть какой термический машины идет по определенному замкнутому термодинамическому циклу, состоящему из 4 процессов: сжатия, подвода тепла, расширения и отвода тепла. Каждый процесс может быть: адиабатическим (изоэнтропическим) – без термообмена с окружающей средой; изотермическим – при неизменной температуре; изохорным (изометрическим) – при неизменном объеме; изобарическим – при неизменном давлении. Зная термодинамический цикл мотора, можно подсчитать его наибольший теоретический КПД без учета трения и других утрат. Посреди всех циклов очень вероятный КПД имеет цикл Карно, состоящий из 2-ух адиабат и 2-ух изотерм, также цикл Стирлинга из 2-ух изотерм и 2-ух изохор (их теоретические эффективности в безупречном случае равны).

«»»(С)

ctirling.ru

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА АЛЬФА ТИПА С ГЕНЕРАТОРОМ ALPHA STIRLING ENGINE GENERATOR ИГОРЬ БЕЛЕЦКИЙ

Моя первая модель двигателя Стирлинга альфа типа. Мощность без накачки 10 Вт. Stirling Engine. К ней можно подключить генератор или водяной насос. Чертежи этого двигателя можно приобрести у меня на сайте physicstoys.narod.ru

Если Вас затронуло это видео поддержите его лайком, или оставьте отзыв, мне очень важна Ваша поддержка. Сделайте его репост в соцсетях.

Мой канал существует благодаря посильной финансовой поддержке благодарных зрителей. СПАСИБО ВАМ ! Сегодня не просто выжить научным каналам, вокруг только политика и война…

QIWI +380979363329

WebMoney( U333875824154; Z287234330137;R287776577874 )

Яндекс деньги410011260810394

Карта ПриватБанка5168 7423 4754 5463

По системе liqpay.com/ru на мой личный телефон (+38) 067- 393-13- 82

Или любым частным переводом на меня лично, Украина, г.Харьков, BELETSKIY IGOR LEONIDOVICH

Подписывайтесь, заказывайте эксперименты, принимайте активное участие в жизни моего канала youtube.com/user/Igorbeleckii

Розыгрыш моделейphysicstoys.narod.ru/page/Yniver.html

По всем вопросам пишите мне на почтуPhysicstoys@yandex.ru .Заходите на мой сайт physicstoys.narod.ru .

Я (Игорь Белецкий) исследую физические явления, проверяю теории и демонстрирую результат. Станьте свидетелем чудесного преобразования энергии из одного вида в другой. Занимательная физика, научные эксперименты, эффектные опыты, технические самоделки, идеи, гипотезы, изобретения и разоблачения. Двигатель Стирлинга, паровой двигатель, паровая турбина, генератор электричества, электрогенератор, магнетизм, магнитная левитация, магнитный двигатель, магнитный подшипник, магнитный подвес, маховик накопитель энергии, супермаховик, водяной насос, концентратор солнечных лучей, паровая пушка, паровая ракета, вечный двигатель, свободная энергия и многое другое.Stirling engine, Steam engine, Steam Turbine, Generator, Linear Electric Generator, Free Piston Engine, Steam Machine, Thermal Lag Engine, Harwell Thermomechanical Generator TMG, Thermoacoustic Stirling engine, Magnetic Bearing, Magnetic Levitation, Solar concentrator, perpetuum mobile, magnet motor, free energy,water pump.

newsvideo.su