Новые серийные двигатели Стирлинга 3.5 и 7.5 кВт. Промышленные двигатели стирлинга


Новые серийные двигатели Стирлинга 3.5 и 7.5 кВт

Компания Qnergy выпустила двигатель Стирлинга в двух типоразмерах: 3.5 и 7.5 кВт.  Двигатели Qnergy серии QB являются крупнейшими коммерческими машинами Стирлинга, доступными на рынке. Используя ноу-хау и опыт, полученный в автомобильной промышленности, команда разработчиков оптимизировала двигатель, с точки зрения его эффективности и стоимости производства, создав доступное решение для рынка. Как и положено двигателю Стирлинга, он отличается высоким КПД, надежностью, низким уровнем шумов и может использовать почти любые виды топлива.  

Двигатель сконструирован по типу свободнопоршневого двигателя Стирлинга (FPSE).

Габаритные размеры двигателей Стирлинга

Технические характеристики:

Модель QB-3500 QB-7500
Тип Свободнопоршневой Свободнопоршневой
Выходная мощность 3.5 кВт 7.5 кВт
Выходное напряжение 420 В 420 В
Выход с инвертера   380В или 220В 110В 5060 Гц 380В или 220В 110В 5060 Гц
Рабочее тело Геллий 99.999% Геллий 99.999%
Срок службы 50000 часов 50000 часов
Вес 67 кг 103 кг
Техобслуживание Не требуется Не требуется
Применение Частные дома, микроТЭЦ, солнечная энергия Коммерческие объекты, микроТЭЦ на биотопливе, жидком топливе, газе

На основе двигателя компания разработала типовые продукты: газовую микроТЭЦ и солнечную систему генерации.

Газовая микроТЭЦ

МикроТЭЦ также выпускается в двух типоразмерах.  Модель mCHP QB-3500 вырабатывает 3.5 кВт электричества и 10 кВт тепловой энергии с температурой теплоносителя до 82 градусов, и модель mCHP QB-7500 вырабатывает 7.5 кВт электричества и 22 кВт тепловой энергии. Суммарный КПД установки достигает 90%, при этом уровень шума не превышает 50Дб.

Система солнечной генерации

Компания Qnergy и Abengoa Solar совместно создали систему на солнечных концентраторах, масштабируемую от 3.5 кВт до 1.5 МВт основанную на двигателях серии QB.

Солнечная ТЭЦ на двигателе Стирлинга

Источник: www.qnergy.com

Читайте также:

www.joule-watt.com

Двигатели Стирлинга

Двигатели Стирлинга

Двигатели Стирлинга в технической и популярной литературе часто упоминаются под различными названиями, в которых выделяются некоторые принципиальные и конструктивные особенности. Наиболее часто употребляются следующие: двигатель Стирлинга, двигатель с внешним подводом теплоты, газовая тепловая регенеративная машина, поршневой регенеративный двигатель, поршневой двигатель на горячем газе, газовый поршневой регенеративный двигатель.

Для осуществления термодинамического цикла Стирлинга тепловая машина должна содержать следующие элементы: горячий цилиндр, называемый также полостью расширения, нагреватель, регенератор, охладитель, холодный цилиндр (полость сжатия).

Соединенные между собой в названной последовательности указанные элементы образуют внутренний контур, в котором осуществляется термодинамический процесс.

По расположению рабочих полостей и теплообменных аппаратов машины Стирлинга разделяются на четыре основные типа: α, β, γ-схемы, а также машины двойного действия.

 

Преимущества двигателей Стирлинга в энергетических установках

В соответствии с принципами действия и конструктивными особенностями современных образцов двигателю присущи следующие специфические свойства, обеспечивающие ему устойчивый интерес в различных областях применения.

Возможность работы практически от любого источника теплоты.

Подвод теплоты к рабочему телу через теплообменную стенку нагревателя дает возможность применять практически любые источники теплоты не разрушающие теплообменной поверхности. К настоящему времени в опытных и промышленных образцах ДС в качестве источников теплоты опробованы камеры сгорания на различных видах жидкого, газообразного и твердого топлива, тепловые аккумуляторы, химические реакторы, электрические нагреватели, концентраторы солнечной энергии, промышленные изотопные источники.

Хорошие виброакустические характеристики.

Хорошие виброакустические характеристики.

Из всех поршневых двигателей ДС имеют рабочий процесс, который характеризуется исключительно малой жесткостью. Зависимость давления в рабочем контуре от фазы рабочего процесса теоретически близка к гармонической. Вследствие этого перекладки в подшипниках, крейцкопфах и цилиндрах сопровождаются малой величиной энергии удара.

Двигатель может быть приспособлен для работы без доступа атмосферного воздуха.

Эта возможность реализуется с использованием соответствующих источников теплоты. Достоинством ДС при этом является то, что эффективность рабочего процесса теоретически не зависит от внешнего давления.

В энергетических установках, разработанных для подводных лодок фирмой «Kockums», во внешнем контуре с камерой сгорания на углеводородном топливе и кислороде поддерживается давление около 2,2 МПа, что позволяет выбрасывать охлажденные продукты горения за борт без дополнительных затрат энергии.

Низкая токсичность при работе на углеводородных топливах.

Низкая токсичность при работе на углеводородных топливах.

Камеры сгорания непрерывного горения с многократной внутренней рециркуляцией обеспечивают ДС значительно меньшие уровни токсичности по различным компонентам, по сравнению с существующими двигателями внутреннего сгорания. Соответственно, энергоустановки на базе ДС будут обладать пониженной следностью.

Хорошие тяговые характеристики и высокая эффективность при работе на долевых режимах.

Это достоинство может быть реализовано путем создания системы регулирования мощности двигателя посредством изменения давления во внутреннем контуре или изменением рабочего объема цилиндров. Важно, чтобы при этом на режимах меньшей мощности, в том числе при пониженной частоте вращения, температура нагревателя оставалась постоянной, близкой к номинальной величине.

При рассмотрении достоинств ДС необходимо иметь в виду и его определенные недостатки.

При рассмотрении достоинств ДС необходимо иметь в виду и его определенные недостатки.

Прежде всего, по сравнению с серийными ДВС, это высокая стоимость и худшие массогабаритные показатели, а также ограниченная агрегатная мощность – в настоящее время доведенные двигатели имеют мощность немногим более 100 кВт.

Сложным остается вопрос о ресурсе двигателя. Уплотнения сухого трения, насадка регенератора и теплообменная поверхность нагревателя являются элементами, ограничивающими ресурс непрерывной работы. На основании имеющихся сведений эта величина в различных типах конструкций может составлять от 500 до 3000 часов.

Схема теплообмена энергоустановки на базе двигателя Стирлинга

Области применения ДНС

Научно-технический задел по проблеме. Отечественные организации, принимавшие участие в работах по созданию двигателей Стирлинга Экспериментальная установка с двигателем Стирлинга для отработки камеры сгорания на жидком топливе

Двигатель Стирлинга «ДС-15» на испытательном стенде в лаборатории КБ «Арсенал».

Двигатель Стирлинга двойного действия с бесшатунным механизмом Баландина на стенде «ЦНИДИ»

Многотопливный Стирлинг-генератор фирмы «Philips»

Новые разработки Энергоустановка 2кВт ЗАО НТКЦ «ПЕТРОФАРМ»

Проблемы создания двигателей Стирлинга применительно к современному уровню отечественных разработок

В случае принятия решения о продолжении работ по созданию ряда отечественных Стирлинг-генераторов необходимо предусмотреть решение следующих научно-технических проблем.

А. Создание компьютерных моделей и натурно-экспериментальных стендов для отработки рабочего процесса свободнопоршневой машины Стирлинга, оптимизация рабочего процесса во внутреннем контуре с учетом особенностей свободнопоршневых механизмов.

Б. Создание обратимой линейной электрической машины (мотор-генератора), способного в период цикла осуществлять движение по заданному закону, при этом создавая или воспринимая заданное усилие. Ориентировочно циклическая частота Стирлинг-генератора перспективного типа составляет 50 … 100 гц.

В. Разработка высокотемпературных компактных нагревателей с удельным тепловым потоком до 1,5 МВт/м2, при температуре теплообменной поверхности не менее 1000 К и внутреннем давлении рабочего тела до 20 МПа.

В. Разработка высокотемпературных компактных нагревателей с удельным тепловым потоком до 1,5 МВт/м2, при температуре теплообменной поверхности не менее 1000 К и внутреннем давлении рабочего тела до 20 МПа.

Г. Разработка уплотнительных устройств для удержания гелия при давлении до 20 МПа в течение срока непрерывной эксплуатации изделия.

Д. Разработка компактных систем передачи теплоты к нагревателю на базе капиллярных жидкометаллических тепловых труб, способных к работе в области рабочих температур объекта, в том числе готовых к пуску из холодного состояния.

Е. Решение вопроса об источнике теплоты и создание соответствующего агрегата, имея в виду необходимость подведения тепловой энергии к нагревателю двигателя Стирлинга с заданной плотностью тепловой энергии.

Ж. Разработка системы рассеивания теплоты охладителя.

З. Решение вопроса о перспективном типе и способе создания насадки регенератора высокой пористости на заданный ресурс.

И. Проведение полномасштабных стендовых ресурсных испытаний отдельных узлов и деталей Стирлинг-генератора.

К. проведение комплексной НИР в области материаловедения, направленной на выявление и изучение возможности применения перспективных материалов для изготовления Стирлинг-генератора, в том числе для разъемных и неразъемных корпусных конструкций, крепежа, теплообменных аппаратов, поршней, системы передачи теплоты, пружин, уплотнений сухого трения, электрических машин, тепловой изоляции, электрической изоляции.

Заключение

  • На основании опыта, накопленного отечественными предприятиями в работах по созданию Стирлинг-генераторов малой мощности, основные проблемные узлы и детали, а также принципиальные теоретические вопросы к настоящему времени можно считать в значительной степени отработанными.

  • В наибольшей степени имеющийся научно-технический задел может быть реализован при создании ряда Стирлинг-генераторов с ромбическим или кривошипно-шатунным механизмом мощностью до 10 кВт.

  • При создании Стирлинг-генератора малой мощности в настоящее время ведущие зарубежные фирмы широко применяют свободнопоршневые механизмы. Необходима разработка отечественной конструкции на уровне лучших зарубежных образцов.

rpp.nashaucheba.ru

Двигатель Стирлинга

Двигатели стирлинга

Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 г., приблизи­тельно за 80 лет до дизеля, и пользовался значительной по­пулярностью до начала XX в. Отсутствие подходящих кон­струкционных материалов в значительной степени затруднило его дальнейшее совершенствование, а с появлением двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя интерес к двигателю Стирлинга утратился окончательно. В 50-е годы XX в. быстрое развитие технологии производства различных материалов вновь открыло перед двигателем Стирлинга некоторые перспективы, однако настоящий интерес к нему возродился только во време­на так называемого «энергетического кризиса». Именно тогда особенно привлекательными показались потенциальные воз­можности этого двигателя в отношении экономичного потребле­ния обычного жидкого топлива, что представлялось особенно важным в период роста цен на топливо в геометрической про­грессии.

Хотя проблемы, относящиеся к двигателю Стирлинга, до не­которой степени освещались в технической литературе, все же, как показывает опыт авторов, в инженерных и промышленных кругах имеется весьма слабое представление о двигателе Стирлинга, принципах его работы, диапазоне возможных обла­стей его применения и той роли, которую мог бы сыграть этот двигатель в решении задачи экономии энергии. Дело, однако, не в недостатке литературы по вопросам конструирования и работы двигателя Стирлинга, а в том, что многие из опубли­кованных работ (а их около тысячи) имеют весьма специаль­ный характер и требуют от читателя определенной предвари­тельной подготовки для усвоения их содержания. Работы об­щего характера по двигателям Стирлинга встречаются весьма редко и неизбежно велики по объему. Нужно иметь достаточ­но большую заинтересованность в предмете, чтобы прочесть та­кую работу полностью. Сжатое изложение отдельных вопросов, принятое в подобных работах, часто оказывается препятствием для читателя, не имеющего первоначальных знаний по двигате­лю Стирлинга.

Сбивающее с толку обилие высокоспециализированной ли­тературы скорее охладит даже подготовленного читателя, чем возбудит его интерес. Все же, какой бы ни была ситуация, оче­виден факт, что сколько-нибудь подробное описание конструк­ции двигателя Стерлинга и термодинамического цикла, лежа­щего в основе его работы, редко встречается в обычных учеб­никах и, как правило, не включается в курсы лекций, читае­мых в высших технических учебных заведениях и университе­тах Однако именно студенты, обучающиеся в настоящее время в высших учебных заведениях, и молодые инженеры, только начинающие свою практическую деятельность, могут оказать решающее влияние на дальнейшее развитие двигателя Стер­линга, и настоящая книга адресована главным образом этим двум группам читателей.

Представители руководящих кругов исследовательских ор­ганизаций и промышленности, профессора и преподаватели технических дисциплин благодаря занимаемому ими положе­нию могли бы оказать большое влияние на завтрашних инже­неров и техников, и поэтому им также следовало бы больше знать о двигателях Стерлинга. Настоящая книга рассчитана и на эти группы читателей. Она построена так, чтобы облегчить понимание основных особенностей работы и конструкции дви­гателя Стерлинга. Книга дает ответы на вопросы: как устроен двигатель Стерлинга, как он работает, где он может использо­ваться и т. д.— уже в начале изложения материала (гл. 1). Мы надеемся, что, прочитав эту главу, инженерно-технические работники будут более отчетливо представлять потенциальные возможности двигателя Стерлинга в области преобразования энергии и более внимательно отнесутся к перспективам его ис­пользования.

Можно отметить одну интересную особенность: многие ис­следователи двигателя Стерлинга чрезвычайно быстро стано­вятся его горячими сторонниками, как и те, кто работает с па­ровыми машинами. Несомненно, что манящие и ускользающие возможности двигателя в значительной степени привлекают инженеров, ознакомившихся с этим устройством. Однако Дэ­вид Оруик, вероятно, более точно объясняет причину такого повышенного интереса: «...неизвестные факторы, влияющие на характеристики двигателя, работающего на нагретом воздухе, столь многочисленны, что это открывает широкие возможности для исследовательской н изобретательской деятельности» (Mo­del Engineer, Oct. 1975, p. 959).

К сожалению, как и во всех случаях, когда имеются обшир­ная литература и большое число энтузиастов, возникает много всяких мифов и легенд. В предлагаемой книге мы попытались опровергнуть некоторые необоснованные суждения, которые проникли в литературу. Однако мы не считаем данную книгу исчерпывающим трудом по двигателям Стерлинга. Такую кни­гу еще предстоит написать, хотя серия книг Уокера на сегод­няшний день, вероятно, наиболее полно охватывает рассматри­ваемую проблему. Настоящая книга отражает в значительной своей части результаты наших собственных исследований и изучения имеющейся литературы, и мы надеемся благополуч­но провести читателя через «минные поля» трудностей на под­ступах к пониманию конструкции и принципов работы двига­теля Стирлинга.

Многие исследователи внесли свой вклад в углубление и расширение наших знаний о двигателе Стирлинга и всех их перечислить невозможно. Однако следует особо упомянуть Грэхема Уокера, Теда Финкельштейна, Билла Била и Билла Мартини, оказавших нам неоценимую помощь. Большую по­мощь оказали нам также наши коллеги и некоторые талант­ливые студенты Королевского морского инженерного колледжа в Великобритании, выполнявшие свои проекты под нашим руко­водством.

Основное содержание книги изложено в гл. 1, которая мо­жет рассматриваться как самостоятельный, законченный текст. В остальных главах более подробно рассматриваются некото­рые вопросы, поднятые в гл. 1. Порядок расположения этих глав дает возможность читателю постепенно углублять свои знания о двигателе Стирлинга. Мы надеемся, что основные во­просы нам удалось изложить более ясно, чем в некоторых про­смотренных нами литературных источниках. В тексте книги, как правило, опущены детальные математические выкладки, однако приведены основные формулы и рассмотрены методы аналитического исследования процессов (главным образом в гл. 2 и 3), так что читатель сможет пользоваться ими доста­точно свободно, одновременно оценивая их практическую поль­зу и осваивая методику их применения.

Ознакомившись с основополагающими концепциями и осно­вами конструкции двигателя Стирлинга, более подготовленные или более честолюбивые читатели могут пожелать продолжить изучение предмета. Для этого в гл. 7 анализируется имею­щаяся литература по двигателям Стирлинга, и выделяются публикации, с которыми необходимо ознакомиться при даль­нейшем изучении этого вопроса. Однако, учитывая то, что сту­дентов и преподавателей заинтересует литература несколько иного характера, чем инженерно-руководящих работников про­мышленности, в книге даются отдельные списки литературы для каждой группы. После просмотра литературы, обзор кото­рой дан в гл. 1 и 7, многих представителей промышленности заинтересует, кто изготавливает двигатели Стирлинга, какова их сравнительная стоимость, каковы рабочие параметры дви­гателей, которые можно приобрести, и т. п., в то время как преподавателей будет интересовать оборудование, которое можно использовать в лабораториях учебных заведений. В свя­зи с этим в гл. 4 рассматриваются отдельные узлы двигателя и с учетом опыта авторов по приобретению материальной ча­сти, в том числе для использования в качестве наглядных по­собий, приведен перечень источников, содержащих чертежи двигателей. В гл. 6 в исторической перспективе рассматрива­ются различные направления исследований двигателей Стир - линга и другие вопросы, связанные с этими исследованиями. Выявляются еще не решенные проблемы и рассматриваются специфические области исследований, где работники учебных заведений могли бы сыграть важную роль. В гл. 5 рассматри­ваются вопросы, связанные с использованием аккумуляторов тепловой энергии и источников тепла, основанных на горении металла. Эти вопросы могут приобрести важное значение в бу­дущем.

Авторы надеются и полагают, что в настоящей книге дано до­статочно точное и легко усваиваемое изложение затрагиваемых вопросов и связанных с ними проблем, понятное без привлече­ния дополнительной литературы. Откровенно говоря, такую книгу мы бы сами приветствовали, если бы впервые проявили интерес к двигателю Стерлинга.

В заключение мы благодарим наших жен и членов семей за их поддержку во время работы над книгой, в особенности за перепечатку рукописи и подготовку графического материала.

Г. Т. Ридер Ч. Хупер

В настоящем приложении определяются и разъясняются термины, применяемые - для характеристики и описания особен­ностей конструкции и протекания рабочих процессов в двига­телях Стирлинга. Определения таких терминов, как «изотерми­ческий», «адиабатный» и т. …

Ромбический приводной механизм, бывший некогда одним из основных механизмов привода двигателя Стирлинга, сейчас вышел из употребления и применяется лишь в очень редких случаях. Однако он должен вернуться, если окажутся жизнеспособными …

При проведении анализа использовались следующие пред­положения: 1. Все процессы являются обратимыми. 2. Справедливо уравнение состояния идеального газа pV = = MRT. 3. Изменения объемов подчиняются синусоидальному закону. 4. Достигнуты периодические …

msd.com.ua

Renewable Energy - Возобновляемая энергетика

Категория: Тепловые машины, 26 февраля 2007 54415

Двигатель Стирлинга — тепловая машина, работающая не только от сжигания топлива, но от любого источника тепла, например — солнечных лучей. В данной статье изложена история развития двигателя, показан принцип работы, а также приведены примеры использования этого двигателя.

История развития

21 сентября 1816 года в Эдинбурге, в Шотландии, Роберт Стирлинг патентует тепловую машину, которую называет economiser (сегодня она имеет название двигатель внешнего сгорания, или как ее еще называют, в честь изобретателя, двигатель Стирлинга). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как воздух охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы.

Рис.1 Роберт Стирлинг.

В начале ХІХ столетия двигатель Стирлинга был признан самой надежной паровой машиной, которая никогда не взрывается, как это довольно часто случалось с другими типами паровых двигателей. И вдобавок существенным его преимуществом была бесшумность.

На 1908 год конструкционное совершенство двигателя Стирлинга разрешила ввести его во многих областях техники и экономики: для привода ткацких станков, вращение лопастных колес судов, подачи воздуха к церковным органам. Их применяли даже на молокозаводе во время производства сыра и в парикмахерской для вращения щипцов для завивки волос.

Несмотря на такой успех, к 20-ым годам ХХ столетия развитие Стирлинг-технологий прекратилось. Двигатели, которые выпускали в значительном количестве к первой мировой войне, в конце концов, были недостаточно экономическими, прежде всего из-за отсутствия пригодных для их изготовления материалов. Поэтому появление накануне войны электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания (далее – ДВС), что были более экономическими и компактными, воспрепятствовала дальнейшему развитию двигателей Стирлинга. Тем не менее, модели небольших мощностей выпускали еще продолжительное время, до 50-ых годов.

 

На сегодня, благодаря появлению высокопрочных термостойких материалов, электронных систем управления и новых технологий производства, двигатель Стирлинга снова привлекает внимание специалистов. Теоретические расчеты довели, что сравнительно с ДВС, при условии применения современных материалов, он выиграет за экономическими и экологическими показателями. И, в конце концов, его ждет возрождение.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга – это поршневой двигатель с внешним подводом теплоты от любого источника, в котором рабочее тело находится в закрытом контуре и его химический состав, во время работы двигателя, не изменяется. Теоретическая эффективность использования теплоты в двигателе Стирлинга отвечает наилучшим образцам ДВС, но практически обеспечить высокий КПД двигателя Стирлинга возможно только при наличии эффективного регенератора, который утилизирует теплоту.

Удельная мощность двигателя Стирлинга (мощность на единицу рабочего объема) отвечает мощности дизеля. Продолжительная история развития двигателей с внешним подводом теплоты обусловила создание большого количества разновидностей этих двигателей. Одной из возможных конструкций двигателе Стирлинга – это расположения цилиндров под углом 90°, как изображено на рис. 2.

Один цилиндр нагревается внешним источником тепла (например, огнем), а второй охлаждается, например льдом. Цилиндры заполнены газом и соединены друг с другом, а их поршни механически связаны с помощью устройства, обеспечивающего определенный порядок их движения.

Горячая полость соединена с холодной через регенератор и охладитель. Регенератор является тепловым аккумулятором, предназначенным для предотвращения потерь теплоты. Он воспринимает теплоту рабочего тела при перетекании из горячей области в холодную и отдает ее при обратном перетекании рабочего тела. Материал регенератора должен иметь высокую теплоемкость и низкую теплопроводность, во избежание передачи теплоты к охладителю. Охладитель воспринимает основную часть теплоты, которая отводится от рабочего тела, которое обусловлено закрытым циклом двигателя Стирлинга. Сравнительно с дизелем, в систему охлаждения двигателя Стирлинга отводится вдвое больше теплоты, поэтому и производительность системы охлаждения должны быть вдвое высшей.

Рис. 2. Одна из возможных схем двигателя Стирлинга.

Во время движения поршня вверх происходит сжимание воздуха во всех полостях двигателя, рабочее тело через регенератор, где отбирает накопленную теплоту, перетекает в горячую полость. Теплоту к рабочему телу в горячей полости подводят извне сквозь стенки цилиндра, от продуктов сгорания, которые образовываются в камере сгорания. Нагревание рабочего тела в горячей полости предопределяет повышение его давления во всех соединенных между собой полостях двигателя. Под действием этого давления рабочий поршень перемещается вниз, осуществляя рабочий ход, а рабочее тело проходит регенератором, отдает ему часть теплоты, охлаждается в охладителе и подается к холодной полости. Через снижение температуры уменьшается давление. Дальше этот цикл повторяется.

Регулирование мощности может осуществляться в разные способы. Например, изменением дополнительного объема, для чего двигатель оборудуют дополнительным поршнем с винтовой передачей.

Перспективы применения двигателей Стирлинга

Двигатели Стирлинга имеют весомые преимущества сравнительно с двигателями внутреннего сгорания, такие как: - незначительная затрата смазочных материалов;- очень низкие выбросы основных вредных веществ, на порядок низшие чем ДВС, благодаря постоянному сгоранию топлива в благоприятных условиях;- незначительная шумность двигателя Стиргинга, что объясняется отсутствием механизма газораспределения, а также плавным непрерывным процессом сгорания, в отличие от взрывоподобного сгорания в цилиндрах ДВС;- небольшой объем технического обслуживания;- а также независимость к конкретному веществу двигателя Стирлинга.

К недостаткам можно отнести громоздкость, так как делать компактные, надёжные и мощные теплообменники очень трудно.

На сегодня, изготовление двигателя Стирлинга нуждается в больших средствах, чем обычные ДВС, тем не менее, его эксплуатация - значительно экономичнее (но затратность производства можно объяснить неприспособленностью промышленности к изготовлению двигателей Стирлинга).

Исключительное свойство двигателей Стирлинга, что разрешает применять нетрадиционные топлива, например, биогаз, уголь и даже отходы деревообрабатывающей промышленности, а также использование любых других видов энергии делает их особенно привлекательными в связи с использованием энергии из возобновляемых источников.

На автомобилях двигатели Стирлинга не приобрели распространение, через значительный удельный вес на единицу мощности, а также из-за сложности системы управления двигателем в быстроменяющихся эксплуатационных режимах. Хотя их и применяют в составе комбинированных энергетических установок, как утилизаторы теплоты выбросов ДВС.

Рис. 3. Двигатель Стирлинга для яхты.

А на таких транспортных средствах как яхты, атомные подводные лодки, космические корабли, двигатели Стрилинга применяются довольно широко. Поскольку в этом случае вес и габариты двигателя не являются решающими факторами, именно надежность определяет его роль как идеального кандидата для преобразования тепловой энергии в механическую. Благодаря тому, что двигатель Стирлинга практически не нуждается в техническом обслуживании и регулировании, он может быть размещен в изолированной части корпуса, что важно в случае трудного доступа (на подводных лодках или космических кораблях). Например, NASA (National Aeronautics and Space Administration - Национальная Администрация Аэронавтики и Космонавтики США) вплотную занимается разработкой и усовершенствованием двигателей Стирлинга, успешно внедряет их в космических аппаратах, тем не менее детальная информация о таких разработках не распространяется.

Итак, развитие науки и техники обусловило образование новых “экологических ниш”, где с успехом может применяться двигатель Стирлинга.

Рис. 4. Солнечная энергетическая установка.

В частности, на рис. 4 приведен пример солнечной энергетической установки. Довольно высокий КПД, простота и надежность конструкции двигателя Стирлинга предопределяют эффективность его использования в таких системах. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (как источник тепла). Охладителем может быть окружающий атмосферный воздух. Имеем экологически чистый источник энергии, так необходимый в современном мире.

Возможное также применение обратного цикла Стирлинга. Если приводить двигатель Стирлинга в движение каким-нибудь внешним устройством, тогда “горячий” цилиндр будет охлаждаться, а “холодный” - будет разогреваться. Если при этом подогревать “горячий” цилиндр, например, окружающим воздухом, то “холодный” цилиндр будет разогреваться к высшей температуре. При этом внешняя энергия тратится не непосредственно на разогрев, а на “перекачивание” тепла из холодного места в теплее, что значительно эффективнее. Т.е. двигатель Стирлинга функционирует в режиме теплового насоса, и образовывает теплоту для целевого использования.

Криокулер Стирлинга также работает по принципу теплового насосу, но применяется как холодильная установка для получения очень низких температур. В широких масштабах их начали изготовлять уже 15-20 лет тому – преимущественно для использования в военной технике: на танках и самолетах необходимо было устанавливать высокочувствительные датчики и приемники, охлаждаемые до температуры -200°С. Для такого охлаждения и было разработано криокулери, работа которых основывается на обратном цикле Стирлинга.

Вообще и современная полупроводниковая электроника подошла в своем развитии к границе, обусловленной физическими законами. Дальнейшее повышение характеристик требует перехода к элементам, охлаждаемым к температурам -100°…-200°С. На мировых конференциях по электронике перспективынм на сегодня признано использования именно криокулеров Стирлинга. Модели криокулеров небольшой мощности выпускаются мелкими сериями и стоят $10000...15000. При условии перехода к многосерийному производству можно ожидать, что цены уменьшатся в несколько раз, что сделает их использование коммерчески рентабельным, сначала в таких системах как файлы-серверы и большие компьютеры, а в перспективе и в бытовых компьютерах.

Рис. 5. Искусственное сердце

Одной из нетрадиционных областей применения двигателя Стирлинга есть медицина. Его применяют в системах искусственного сердца. Источником энергии в таких системах, как правило, есть радиоизотопы.

Рис. 6 Когенерационная установка на базе двигателя Стирлинга

Кроме упомянутых довольно экзотических областей применения двигателей Стирлинга, уже сейчас есть приемлемым их внедрения в когенерационных установках. На рис. 6 изображена такая установка с двигателем Стирлинга.

Когенерационные установки предназначены для полного использования энергии, которая высвобождается во время сгорания топлива. Часть этой энергии превращается в электроэнергию, остальная – в теплоту, которая используется для удовлетворения бытовых нужд. Т.е. двигатель производит электроэнергию, а теплота из его системы охлаждения, смазки и выпускной системы утилизируется и обеспечивает горячее водоснабжение, отопление помещений и т.п. Благодаря общему производству электрической и тепловой энергии в когенерационных установках обеспечивается значительная экономия топлива – до 30%.

Современная мировая энергетика развивается в направлении децентрализации энергоснабжения, которое оказывает содействие созданию автономных когенерационных установках.

В США и странах Европы, прежде всего Германии, уже начато серийное производство небольших теплоэлектрических установок с двигателем Стирлинга, например, для нужд одной семьи. Электрическая мощность установки составляет 2…9 кВт, тепловая – 8…24 кВт. Общий КПД установки достигает 92…94%,благодаря тому, что теплоту, которая не использована в двигателе, утилизировано в системе бытового теплоснабжения. Топливом для такого двигателя Стирлинга является природный газ. В конце 2001 года был изготовлен двигатель, топливом для которого служат отходы деревообрабатывающей промышленности. Теперь ведется разработка двигателя, топливом для которого станет биогаз.

Поскольку когенерационные установки с двигателями Стирлинга могут иметь небольшую мощность и применяют их преимущественно в частных домах, то производители ожидают, что, по крайней мере в Германии, спрос на них будет достигать 50000 установок на год. На 2002 год стоимость одной такой установки составляла 24000 $. С дальнейшим ростом спроса также ожидают уменьшения стоимости такой установки.

Запасы традиционного нефтяного топлива стремительно сокращаются. Газ, бензин, дизельное топливо дорожает. Поэтому применение альтернативных источников энергии – не просто перспективно, а единственно возможный способ выживания человечества. В развитых странах активно внедряют альтернативную энергетику. В частности, Швеция до 2020 года планирует полностью отказаться от традиционного топлива.

Все приведенные примеры применения двигателя Стирлинга реальные и практически реализованы. Тем не менее, до сих пор двигатели с внешним подводом теплоты не приобрели распространение, возможно, через стереотипность мышления, или инертность промышленного производства. Но современный мир изменяется, изменяются и приоритеты развития техники. Поэтому, целиком возможно, что вскоре двигатель Стирлинга придет почти в каждый дом, как тепловой двигатель, элемент системы отопления или составляющая домашнего компьютера.

Источник: www.avoska.com.ua Wikipedia

Добавить комментарий

renewable.com.ua

Steerling UA: Двигатель Стирлинга сегодня

Двигатель, предложенный самим Робертом Стирлингом, имел значительные массо-габаритные характеристики и низкий КПД. Из-за сложности процессов в таком двигателе, связанных с непрерывным движением поршней, первый упрощенный математический аппарат разработан только в 1871 году пражским профессором Г. Шмидтом. Предложенный им метод расчета основывался на идеальной модели цикла Стирлинга и позволял создавать двигатели с КПД не превышающем 15%. Лишь к 1953 году голландской фирмой «Филипс» разработаны первые высокоэффективные двигатели Стирлинга, превосходящие по характеристикам двигатели внутреннего сгорания.

Мировой интерес к этому типу двигателей с того времени продвинулся из области теоретических построений в плоскость практической реализации в самых разных сферах. За рубежом уже начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки. Так, двигатели Стирлинга фирм Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling мощностью от 5 до 1 200 кВт имеют эффективный КПД более 42 %, ресурс - более 40 тыс. ч, удельную массу - от 1,2 до 3,8 кг/кВт.

В США стартовал проект создания солнечной электростанции с использованием двигателя Стирлинга в качестве прямого преобразователя теповой энергии в механическую. На фото Чак Андрака (Chuck Andraka, слева) и глава Stirling Energy Systems Боб Лиден (Bob Liden) на фоне первой установки в испытательном центре Сандия (фото с сайта sandia.gov). Теоретически КПД Стирлинга может совпадать с физическим пределом, определяемым разностью температур нагревателя и холодильника, да и на практике можно получить от стирлингов КПД порядка 70%. По расчётам авторов проекта, в теории одна ферма солнечных стирлингов, под которую отвели бы территорию 160 х 160 километров на юге США, полностью покрыла бы всю потребность страны в электроэнергии. На сегодняшний день прототипы успешно проходят испытания, но стоимость каждого еще слишком высока (более 150 тысяч долларов США), что тормозит массовое внедрение. Подобными разработками интересуются и в Швеции. На сайте компании "Cleanergy" вниманию посетителей представлен новый концепт солнечной миниэлектростанции для получения электроэнергии. Создан как полномасштабный образец с гелиоконцентратором на подвижной с закрепленным в фокусе стирлингом, так и отдельный когенерационный агрегат для получения электроэнергии и тепла общей мощностью 9 кВт (однако, стоит отметить, что из 9 кВт только 2кВт - электроэнергия, остальные 7кВт - тепло для обогрева помещений).

Наиболее бурное развитие двигателей Стирлинга происходит в сфере военных технологий. Быстрыми темпами создаются опытные и серийные образцы Стирлинг-установок для неатомных подводных лодок. Вот выдержка из статьи заслуженного изобретателя Российской Федерации, академика Академии военных наук, д.т.н. Кириллова Н.Г., посвященной данному вопросу: «…наибольших результатов в разработке анаэробных установок достиг шведский концерн Kockums Submarin Systems, построивший три ПЛ класса "Gotland" типа А19 на основе двигателей Стирлинга. На ПЛ устанавливается два двигателя V4-275R по мщностью по 75 кВт. Три подводные лодки типа «Gotland» были построены фирмой Kokums в 1992 – 1996 годах. Длина субмарин – 60,4 метра, подводное водоизмещение – 1599 тонн. Экипаж – 27 человек, в том числе 5 офицеров. Вооружение: 4 Х 533-мм и 2 Х 400-мм торпедных аппарата. Скорость полного подводного хода – 20 узлов. При использовании двигателя Стирлинга лодки могут находиться под водой без подзарядки аккумуляторных батарей до 20 суток! Самый многообещающий проект шведов связан с перспективной подводной лодкой «Викинг». Это название выбрано не случайно. В реализации проекта должны участвовать еще две скандинавские страны - Норвегия и Дания. «Кокумс», норвежская компания «Конгсберг» и датская «Оденсе столшипсваерфт» образовали консорциум для практической работы над проектом. Всего планировалось построить 12 субмарин нового поколения. По мнению ведущих специалистов, эта была бы лучшая подводная лодка XXI века. На ней планировалось установить единый двигатель Стирлинга большой мощности (ориентировочно 800 кВт).

Первыми, после шведов, перспективность анаэробных установок на основе двигателей Стирлинга поняли японцы… Для отработки технологии применения двигателей Стирлинга в 2000-2001 годах на кораблестроительной верфи «Кобе» фирмой «Мицубиси дзюкоге» были проведены работы по оснащению ПЛ «Асасио» энергетической установкой замкнутого цикла с двигателем Стирлинга.… Ходовые испытания прошли на «отлично». Поэтому уже с 2003 года японские ПЛ типа «Оясио» начали строиться с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга… 

Японцы ввели новое словосочетание «стирлинг-подводные лодки»… Именно для новой ПЛ с единым двигателем фирмой “Mitsubichi” создан и прошел успешные стендовые испытания двигатель Стирлинга мощностью более 600 кВт. В качестве рабочего тела двигателя используется азот. И наконец, последними из мировых держав, окончательный выбор по типу анаэробной установки сделали американцы. Их решение однозначное – двигатели Стирлинга. Для этого в 2005 году ВМС США взяли в лизинг шведскую подводную лодку типа «Gotland», оснащенную вспомогательной воздухонезависимой установкой Стирлинга...» Как можно видеть все развитые страны ударными темпами разрабатывают и внедряют Стирлинги в серийное производство. И не удивительно, при сопоставимой с ДВС мощности Стирлинг-двигатели имеют высокий крутящий момент почти на всех режимах работы, малошумны, «всеядны» в плане топлива и могут работать в любых условиях. Специалистами NASA (Национального Аэрокосмического Агентства США) были проделаны предварительные проработки проекта создания обитаемой базы на Луне. В качестве основного источника энергии для работы в условиях лунной поверхности был выбран атомный реактор SP-100 с тепловой мощностью 2500 кВт и 8 электрических генераторов, работающих от двигателей Стирлинга. В проекте приводится подробное техническое описание реакторной установки, конструкции и теплового подсоединения двигателей Стирлинга, систем отвода тепла и распределения мощности. К Стирлингам интерес проявляли и в России. В 1996 году на ОАО “Машиностроительный завод “АРСЕНАЛ”, в рамках договора с ГП ГОКБ “Прожектор” были начаты работы по теме “Исследование и разработка электроагрегатов на базе многотопливных двигателей Стирлинга”. Но, к сожалению, работы в данном направлении были приостановлены из-за отсутствия дальнейшего финансирования проекта. В настоящее время в России накоплен достаточный научный потенциал для создания высокоэффективных двигателей Стирлинга. Значительные результаты были достигнуты в ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии». Специалистами были проведены теоретико-экспериментальные исследования для разработки новых методов расчета высокоэффективных двигателей Стирлинга. Основные направления работ связаны с применением двигателей Стирлинга в когенерационных установках и системах использования теплоты отработанных газов, например в мини-ТЭЦ. В результате были созданы методики разработки и опытные образцы двигателей мощностью 3 кВт.

Не менее мощное развитие получили Стирлинг-машины в области криогенной техники. Поскольку Стирлинги обратимы, на их базе создано множество холодильных машин без фреона – газа, используемого в обычных холодильных комперссорах. Данное преимущество позволило уменьшить габариты системы охлаждения и повысить ее производительность.

Холодильные машины, работающие по обратному циклу Стирлинга, наиболее эффективны в диапазоне криогенных температур (очень низкие температуры), в более высоком диапазоне температур (низкие температуры, используемые в промышленности и в быту) в настоящее время главным образом работают фреоновые парокомпрессионные холодильные машины.

Криогенные стирлинг -машины находят все большее применение в радиоэлектронных системах, где требуется мощное охлаждение, но отсутствуют условия для применения стандартных способов охлаждения (например термопарами). Некоторые фирмы, в том числе такие, как «Малакер и Хьюз эйркрафт», США (Malakar Labs Inc., Hughes Aircraft Co.) выпускают для продажи небольшие (или даже миниатюрные) криогенные машины. Эти компании совместно с Северо-Американским отделением фирмы Филипс (North American Philips Inc.), специализирующиеся на производстве миниатюрных охладителей, считают своей основной целью производство небольших криогенных машин для электронной промышленности, где они используются в основном для мощного охлаждения инфракрасных детекторов, применяемых в различных военных и гражданских целях.

По материалам статьи д.т.н. Кириллова Н.Г. и книги Г.Уокера "Машины, работающие по циклу Стирлинга"

solarsteeringua.blogspot.com