Двигатели Стирлинга стационарные — Boehm — Паровые машины и двители

Двигатели Стирлинга стационарные

 Запатентовано впервые подобное устройство шотландским священником, по имени которого и назван двигатель. Случилось это в далеком 1816 году.
Конечно, аналогичные элементарные устройства были известны задолго до Роберта Стирлинга. Однако его достижением следует считать добавление очистителя. Он позволяет увеличить производительность тепловой машины и удерживает тепло в теплом участке двигателя, одновременно с тем, как рабочее тело испытывает охлаждение. Данный процесс значительно увеличивает эффективность системы. В 1843 году автор изобретения использовал его на заводе, где он служил инженером.
Спустя почти сто лет фирма «Филипс» вложила инвестиции в мотор Стирлинга. Эта тепловая машина обладает массой преимуществ и имела широкое распространение во времена паровых машин.

В девятнадцатом веке инженеры стремились создать устройства, которые были бы достойной альтернативой паровым двигателям той эпохи: ведь они часто взрывались из-за высокого давления или неудачных материалов используемых для их постройки. Прекрасной альтернативой и являлись двигатели Стирлинга, которые способны были преобразовать в работу, какую угодно разницу температур. Главный принцип работы заключается в нагревании и охлаждении рабочего тела в замкнутом цилиндре. Роль рабочего тела играют воздух, но порой используют гелий или водород. Двигатель Стирлинга применяется тогда, когда нужен компактный преобразователь энергии тепла, имеющий простое устройство, или когда другие тепловые двигатели неэффективны – к примеру, когда разница температур недостаточна для газовой или паровой турбины.
Помимо «большого» мира двигатели Стирлинга получили широкое распространение среди моделистов и коллекционеров. Подобные двигатели «внешнего» сгорания  незаменимы в моделях, ведь они простые, «всеядные» к топливу, имеют увеличенный ресурс, экономичны, бесшумны и безопасны в плане экологии.    

ET003 Двигатель Стирлинга BLACK, Производство Англия

18 800.00

ET004 Двигатель Стирлинга GREY Производство Англия

20 000. 00

ET005 Двигатель Стирлинга NANO Cannon Производство Англия

25 000.00

ET006 Двигатель Стирлинга SOLAR ROSS Производство Англия

18 800.00

ET001 Двигатель Стирлинга BLACK (большой) Производство Англия

25 000.00

ET002 Двигатель Стирлинга BLACK ROSS Производство Англия

18 800.00

EurotrainET001 Двигатель Стирлинга «МЕГА» на деревянной подставке из бука (латунь, металл)

45 000.00

Двигатель стирлинга «Коромысло» сталь/латунь/медь (без коробки)

28 500.00

Двигатель Стирлинга «Автомобиль» на деревянной подставке

35 000.00

BoehmHB7 Двигатель Стирлинга «Спринтер» (светлое дерево)

18 000.00

HB26 Двигатель Стирлинга «Двойной мост» (светлое дерево), Boehm

28 552. 00

HB32 Двигатель Стирлинга «Двойное тату» (светлое дерево), Boehm

28 552.00

h200 Двигатель Стирлинга,Wilesco

41 660.00

Действующие модели двигателя Стирлинга из Германии. Мы эксклюзивно представляем в России двигатели Стирлинга. Только у нас вы можете купить двигатель Стирлинга и аксессуары с фирменной гарантией. 
 

Двигателем Стирлинга называют тепловую машину, жидкое или газовое рабочее тело, которого перемещается в замкнутом объеме. По сути, это разновидность так называемого двигателя внешнего сгорания. Работа его основывается на нагреве, а затем охлаждении рабочего тела. При этом извлекается энергия из происходящего при этом трансформации объема рабочего тела. Подобная тепловая машина способна работать не только благодаря сжиганию топлива, но также и от какого угодно теплового источника. 

Сравнительный анализ применения двигателя Стирлинга и дизельного генератора для системы электротеплоснабжения объектов в Арктических районах России



Развитие Арктической зоны Российской Федерации в наше время является одним из первостепенных вопросов. Согласно стратегии государственной программы основным направлением объявляется разработка и внедрение новых научных технологий. Климатические условия Арктических районов крайне неблагоприятны для строительства и жизни. Природа Арктики очень хрупка и чувствительна к внешнему вмешательству. Теплогенераторы, применяемые ранее, уже не отвечают новым критериям и поставленным задачам по экологичности. Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой рабочее тело: газ или жидкость, движется в замкнутом объеме. Двигатель имеет преимущества: многотопливность, т. е. возможность работы практически от любого источника теплоты; высокий ресурс и длительный межремонтный период. Таким образом, двигатель Стирлинга является наиболее перспективным для применения в типовых тепловых генераторах в Арктической зоне Российской Федерации.

Ключевые слова: теплоноситель, теплогенератор, двигатель Стирлинга, экологичность.

В связи с утверждением государственной Программы Российской Федерации «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года» [1], проблема инженерной деятельности в этих районах на данный момент является одной из первостепенных.

Согласно Программе на период до 2020 года приоритетными направлениями являются:

 комплексное социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации;

 развитие науки и технологий;

 создание современной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры;

 обеспечение экологической безопасности;

 международное сотрудничество в Арктике.

Таким образом, одним из важнейших параметров является применение новых усовершенствованных технологий, которые позволят получать максимально возможный КПД энергетических установок при минимальном вреде для экологии.

Климатические условия Арктических районов и их влияние на строительство

Тип климата, характерный для Арктического географического пояса и части Субарктики формируется не только в связи с низкими температурами высоких широт, сильным светоотражением снежно-ледяного покрова длительной полярной ночью, но и в связи с отражением тепла в светлое время от снега и льда.

Годовая сумма атмосферных осадков 100–200 мм. В зонах перехода к субарктическому климату развивается циклоническая деятельность, и атмосферные осадки увеличиваются до 400 мм в год [2].

Полярные день и ночь обусловливают крайне неравномерное поступление солнечной радиации в течение года. Радиационный баланс в южных районах Арктики положительный, составляет 420–630 Мдж/(м²·год).

Суровый Арктический климат обусловливает низкую температуру океанических вод. В области распространения дрейфующих льдов в течение всего года температура поверхностного слоя вод (толщиной 100–200 м) близка к минус 2°С [3].

Любая строительная и хозяйственная деятельность в районах вечной мерзлоты сопряжена с большими трудностями. Мерзлотные процессы разрушают сооружения и транспортные пути. Поэтому основные грузы приходится поставлять в холодное время года по зимним дорогам или по водному пути. Любые здания сооружают на сваях, которые при недостаточном заглублении, выталкиваются грунтом и приводят к разрушению здания. Мерзлота сохраняет органические и неорганические вещества и препятствует их разложению. Данный фактор существенно усложняет захоронение промышленных и бытовых отходов. Из-за низких температур медленно происходит самоочищение вод, задерживается восстановление тундровой флоры. В связи с осваиванием труднодоступных Арктических регионов, требуется строительство нефтедобывающих, угольных, газовых и других строительных объектов [4].

Теплогенераторы: внедрение новых технологий

В Арктической зоне сконцентрирована добыча 91 % природного газа и 80 % газа промышленных категорий. Кроме того, на шельфе Баренцева моря разведано одиннадцать месторождений, в том числе четыре нефтяных. В Сибири сосредоточены богатые запасы практически всех ценных металлов: золота, серебра, никеля, молибдена и цинка [5]. Однако на многих разведанных месторождениях добыча не ведется из-за труднодоступности и высокой стоимости разработок. Любая добывающая промышленность требует больших затрат электроэнергии и тепла. На сегодняшний момент в основном для этих целей применяют дизельные генераторы.

Основные технические характеристики дизельных энергоустановок [6]:

 мощность одной установки: 0,10–5,00 МВт;

 напряжение: 0,4–13 кВ;

 срок службы двигателя: 150–300 тыс.ч.;

 КПД (без утилизации теплоты): 0,39–0,47;

 КПД (с утилизацией теплоты): 0,70–0,80;

 диапазон рабочих режимов: 10–110 % от номинальной мощности;

 моторесурс до текущего ремонта: 10–60 тыс.ч.;

 моторесурс до капитального ремонта: 60–100 тыс.ч.;

 затраты на ремонт: 5–20 % от стоимости;

 стоимость установленной мощности: 90–200 $ / кВт;

 уровень шума: не более 88 дБ;

 вредные выбросы (концентрация в отработавших газах, приведенная к 5 % О2):

NO_x: 3400 мг/м3;

СО: 170 мг/м3.

Принцип работы одного цикла дизельного генератора представлен на Рисунке 1.

Рис. 1. Принцип работы дизельного генератора

В настоящий момент основной задачей становится переход на новый технологический уровень, связанный с энергосбережением, экологией и сокращением доли использования традиционных энергоресурсов [7]. В рамках решения этих задач, наиболее перспективным путем является разработка и внедрение двигателей Стирлинга (ДС). В его современных типах заложены новые технические решения, позволяющие снизить их стоимость (применение менее дорогостоящих материалов, а также новые варианты теплоносителей) [8].

ДС — тепловая машина, в которой рабочее тело, движется в замкнутом контуре.

Основные технические характеристики двигателя:

Мощность, вырабатываемая ДС, почти прямо пропорциональна среднему давлению цикла. Поэтому, чтобы получить высокие значения абсолютной и удельной мощности, давление в двигателе должно составлять 10–20 Мпа. КПД ДС может достигать 65–70 % КПД цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. ДС по своей природе обладает низким уровнем шума. По сравнению с сопоставимым дизельным двигателем уровень шума ДС ниже на 18 дБ [9].

Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла (Рис.2). Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу [10].

Рис. 2. Принцип действия двигателя Стирлинга

Преимущества двигателя Стирлинга перед дизельным генератором

Преимущества можно распределить по категориям, освещая основные моменты.

Конструкция, обслуживание и ремонт. Конструкция дизельного генератора сложная, с множеством компонентов и узлов. Работы по техническому обслуживанию следует проводить квалифицированному персоналу с соответствующим оборудованием практически регулярно. Моторесурсы до текущего и капитального ремонтов не велики. ДС отличается тем, что не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Отсутствие многих склонных к износу узлов позволяет обеспечить небывалый для других двигателей запас работоспособности [11,12].

Экономичность. Дизель генераторы отличаются экономичностью в отношении расхода топлива и пожаробезопасности. Для утилизации некоторых видов теплоты, особенно при небольшой разнице температур, ДС часто оказывается самым эффективным видом двигателя. Например, в случае преобразования в электричество солнечной энергии ДС иногда дает больший КПД (21,5 %) [13].

Экологичность. ДС не имеет выброса рабочего тела, а значит уровень его шума гораздо меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания. Бета-Стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, имеет предельно низкий уровень вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм) [14]. Сам по себе ДС не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена, прежде всего, экологичностью источника теплоты [15]. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания. В ДВС полнота сгорания топлива зависит от соответствия химического состава топлива физическим параметрам ДВС. Например, бензин или дизельное топливо всегда сгорают в цилиндрах не полностью, тогда как спирт или сжиженный газ сгорают в ДВС полностью [16].

Источник теплоты. Дизельный генератор работает на дизельном топливе, которое мало того, что является неэкологичным, сопутствует выбросу в атмосферу вредных веществ. ДС может работать от почти любого источника теплоты: например, между разными слоями воды в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя [17]. В качестве местного топлива в Арктических районах для Стирлинг-генераторов может использоваться торф, измельченный уголь и др. В настоящее время в Российской Федерации ежегодно пропадает до 60 млрд. м³ попутного газа, который выходит вместе с нефтью [18]. Собирать его сложно и дорого, использовать в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания нельзя из-за постоянно меняющегося фракционного состава. Однако этот газ может быть приемлемым топливом для энергетических установок с ДС [19].

Таким образом, отпадет необходимость завозить топливо с материка, и не будет наноситься ущерб природе, поскольку минимизируются вредные выбросы. Из данного пункта вытекает преимущество — снижение или исключение затрат на поставки топлива.

Поставка. Поставка ресурсов в районы Крайнего Севера осуществляется водным транспортом или в холодное время года по зимнему пути, в редких случаях воздушным способом. Все виды транспорта являются весьма дорогостоящими. Однако ДС может работать на местном топливе или попутном газе от нефтепромышленности, что в разы снижает стоимость поставок [20].

Выводы

Арктические районы Российской Федерации вышли на новый виток развития, приобретя важное стратегическое значение. За последние 20 лет в данном регионе было обнаружено более 20 крупных месторождений нефти и газа, что делает организацию строительства всей необходимой инфраструктуры для освоения природными ресурсами одной из первостепенных проблем.

Используемые в данный момент теплогенераторы уже не отвечают новым критериям экологической эффективности в системе охраны окружающей среды. Одной из основных задач при освоении данного региона является охрана окружающей среды и предотвращение создания в нем экологически неблагоприятных районов. Именно поэтому разработкой и созданием более экологичных двигателей Стирлинга занимаются во многих странах мира. В плане экологичности доказано серьезное преимущество двигателя Стирлинга перед дизельным генератором. По сравнению с последними они имеют лучшие показатели по токсичности и уровню шума, могут работать практически с любым источником теплоты и т. д. Универсальность двигателя Стирлинга в отношении источника теплоты, в сочетании с высоким КПД позволяет рассчитывать на широкое распространение теплового двигателя этого типа в будущем.

Литература:

1 Постановление Правительства Российской Федерации от 21 апреля 2014 г. № 366 Москва // Интернет-портал «Российской Газеты». URL: http://rg.ru/2014/04/24/arktika-site-dok.html (дата обращения: 11.04.2016).

2 Арктический климат // Федеральный портал Protown.ru. URL: http://protown.ru/information/hide/4328.html (дата обращения: 11.04.2016).

3 Географический атлас России. ПКО»Картография».-М.1998

4 Крайний Север России // География России. URL: http://geographyofrussia.com/krajnij-sever-rossii/ (дата обращения: 11.04.2016).

5 Агалаков С. Е., Беляев С. Ю., Борисова Л. С. и др. Особенности геологического строения и разработки уникальных залежей газа крайнего севера Западной Сибири. — Новосибирск: СО РАН, 2004. — 141 с.

6 Кашкаров А. П. Современные био-, бензо-, и дизель-генераторы и другие полезные конструкции. — Москва: ДМК-Пресс, 2011. — 142с.

7 Двигатель Стирлинга. Кукис В. С., Романов В. А., Петриченко М. Р., Куколев М. И., Дворцов В. С. патент на полезную модель RUS 126372 27.02.2012

8 Кукис В. С., Куколев М. И., Костин А. И., Дворцов В. С., Ноздрин Г. А., Абакшин А. Ю. Перспективы улучшения характеристик двигателей Стирлинга // Двигателестроение. — 2012. — № 3. — С. 3–6.

9 Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. — Москва: Мир, 1986. — 464с.

10 Уокер Г. Двигатели Стирлинга. — Москва: Машиностроение, 1985. — 401с.

11 Энергоустановка с двигателем Стирлинга. Кукис В. С., Петриченко М. Р., Куколев М. И., Дворцов В. С., Романов А. В. патент на полезную модель RUS 151039 16.06.2014

12 Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга. Москва: Энергия, 1978. — 152 с.

13 Бреусов В. П., Куколев М. И. Серийное производство двигателей Стирлинга // Академия Энергетики. — 2010. — № 3. — С. 58–61.

14 Круглов М. Г., Даниличев В. Н., Ефимов С. И. и др. Двигатели Стирлинга. Москва: Машиностроение, 1997. — 150 с.

15 Бреусов В. П. , Куколев М. И. Проектная разработка и технология изготовления двигателей с внешним подводом теплоты, работающих на биогазе // Двигателестроение. — 2009. — № 2. — С. 45–46.

16 Мышинский, Э.Л., Рыжков-Дудонов М. А. Судовые двигатели внешнего сгорания. Ленинград: Судостроение, 1976. — 76с.

17 Куколев М. И., Кукис В. С., Вильдяева С. Н. Обобщенная методика оценки режимов работы теплового накопителя // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. — 2013. — № 2. — С. 169–172.

18 Бреусов В. П., Куколев М. И., Яковлева С. Н., Абакшин А. Ю. Двигатели с внешним подводом теплоты // Двигателестроение. — 2009. — № 3. — С. 41–44.

19 Бреусов В. П., Куколев М. И., Вильдяева С. Н., Абакшин А. Ю. Двигатели с внешним подводом теплоты (продолжение) // Двигателестроение. —2009. —№ 4. —С. 41–45.

20 Бреусов В. П., Куколев М. И. Некоторые разработки двигателей Стирлинга за рубежом // Академия Энергетики. — 2010. — № 5. — С. 72–76.

Основные термины (генерируются автоматически): Российская Федерация, дизельный генератор, Арктическая зона, двигатель, источник теплоты, рабочее тело, уровень шума, внутреннее сгорание, окружающая среда, район.

Двигатель Стирлинга — история, функции и применение

Эти высокоэффективные, экологически безопасные и бесшумные двигатели еще не полностью раскрыли свой потенциал, и вот почему.

Michael Frey/Wikimedia

Двигатель Стирлинга представляет собой поршневую внешнюю тепловую машину с замкнутым циклом, которая преобразует теплоту в полезную механическую работу. Первоначально он был изобретен для конкуренции с паровым двигателем, но из-за его различных ограничений, даже спустя много лет, двигатель Стирлинга не получил широкого распространения и используется только в нескольких специализированных приложениях.

Газ внутри двигателя Стирлинга никогда не покидает двигатель. Они снова и снова нагреваются и охлаждаются, поэтому никогда не выбрасываются в виде взрывоопасного выхлопа. Этот регенеративный двигатель может многократно использовать один и тот же газ для выработки энергии; поэтому двигатель Стирлинга может оказаться намного более эффективным, чем двигатель внутреннего сгорания, используемый в современных автомобилях. Поскольку взрывов не происходит, двигатели Стирлинга работают очень тихо. Также нет горения, так как цикл Стирлинга использует внешний источник тепла, который может быть солнечной энергией или даже теплом, выделяемым разлагающимися растениями.

История двигателя Стирлинга

Источник: Zephyris/Wikimedia Commons

В 1816 году Роберт Стирлинг подал патент на двигатель Стирлинга. применения к движущимся машинам на основе совершенно нового принципа.

В патентной заявке Стирлинга объясняется конструкция и использование регенератора (который он назвал «экономайзером»). Патент также включал первое в истории описание двигателя горячего воздуха с замкнутым циклом. Более того, Стирлинг описал, как его конструкция двигателя может быть использована для таких приложений, как плавка чугуна и стекловаренные печи.

Роберт Стирлинг Источник: Wikimedia Commons

За выдающееся изобретение Роберта Стирлинга называют отцом двигателя Стирлинга.

В 1827 году Роберт Стирлинг и его брат Джеймс Стирлинг подали второй патент на двигатель Стирлинга. В этом патенте предлагалась перевернутая конструкция из исходного патента 1816 года, которая включала насос сжатого воздуха, который мог увеличивать внутреннее давление воздуха для повышения эффективности.

Третий патент, поданный в 1840 году, привел к изобретению знаменитого двигателя Данди, который позже использовался Dundee Foundry Company. В презентации третьего патента, сделанной в 1845 году в Институте инженеров-строителей, Джеймс Стирлинг подчеркнул, что технология двигателя Стирлинга не только направлена ​​​​на экономию топлива, но также может служить более безопасной альтернативой паровому двигателю. Он напомнил присутствующим инженерам, что котлы в паровых машинах часто взрываются и вызывают многочисленные смерти и травмы, и что этого можно было бы избежать, используя вместо них двигатели Стирлинга.

Самый популярный

Однако заявления Джеймса Стирлинга не могли компенсировать частые отказы двигателя при эксплуатации при более высоких температурах. Даже Dundee Foundry Company позже заменила свои двигатели Стирлинга паровыми двигателями после того, как столкнулась с неоднократными отказами цилиндров в годы, последовавшие за его установкой.

Двигатель Стирлинга Филипс. Источник: Geni/Wikimedia Commons

Хотя двигатели Стирлинга производились до 1922 года и использовались для перекачивания воды на фермах и выработки электроэнергии, попытки разработать двигатель Стирлинга для широкого коммерческого использования оказались в значительной степени безуспешными.

Концепция двигателя Стирлинга была почти забыта на долгие годы. Однако компания Philips, в частности, проявила большой интерес к конструкции двигателя Стирлинга и с 1938 по 1950-е годы получила лицензии на многочисленные патенты, основанные на одной и той же технологии.

К 1952 году компания Philips разработала электрогенератор с двигателем Стирлинга в качестве привода. Хотя это так и не было запущено в массовое производство, исследовательская работа, проведенная Philips, позже привела к разработке криогенных систем охлаждения, в которых используется концепция обратного двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга?

Цикл Стирлинга. Источник: Hiroka Nakahara/UBC

Двигатель Стирлинга производит механическую энергию из тепловой энергии за счет движения двух или более поршней внутри цилиндров. В цилиндре находится определенное количество газа, и изменение давления газа, вызванное циклом Стирлинга, позволяет двигателю Стирлинга выполнять работу.

В двухцилиндровом двигателе Стирлинга один цилиндр нагревается от внешнего источника тепла, а другой охлаждается от внешнего источника охлаждения. Газовые камеры двух цилиндров соединены между собой, а поршни связаны друг с другом механически.

Цикл Стирлинга состоит из следующих этапов:

    1. Изотермическое расширение

Энергия внешнего источника тепла увеличивает внутреннюю температуру, что еще больше увеличивает давление газа внутри цилиндра. Повышение давления газа заставляет поршень двигаться вниз, и совершается работа.

    2. Изохорный отвод тепла

Поршень выталкивает нагретый газ во второй цилиндр (или регенератор), где газ охлаждается, понижая его давление, чтобы его можно было легко сжимать дальше. Тепло, поглощенное регенератором на этом этапе, будет использовано на последнем этапе цикла.

    3. Изотермическое сжатие

Газ сжимается в пространстве, в котором поддерживается неизменно низкая температура, что позволяет газу легко подвергаться изотермическому сжатию. При сжатии газ отдает тепло охладителю.

    4. Изохорный подвод тепла

Второй поршень движется вверх, нагнетая сжатый газ в нагретый цилиндр, где он снова быстро нагревается. Давление в цилиндре нарастает, подвергаясь изотермическому расширению, заставляя двигаться поршень, и цикл Стирлинга продолжается.

Источник: Масато Китадзаки, Кейичиро Юдзаки, Теруюки Акадзава/Yanmar

Наличие регенеративного теплообменника (регенератора) в двигателе Стирлинга делает его намного более эффективным, чем другие предыдущие двигатели с горячим воздухом, которые не имели этого компонента. КПД двигателя Стирлинга также прямо пропорционален разнице температур между источником тепла (первый шаг) и источником охлаждения (второй шаг).

Почему двигатель Стирлинга не используется в автомобилях?

Источник: Scott Umstattd/Unsplash

Это правда, что двигатель Стирлинга может избавить вас от необходимости время от времени заправлять бак бензином, но существуют некоторые серьезные ограничения, связанные с этой технологией двигателя, которые запрещают производителям автомобилей используя это.

Двигатели Стирлинга не имеют взрывного выхлопа, как в традиционных двигателях внутреннего сгорания, поэтому они очень тихие и не создают шума. Однако для работы двигателя необходим внешний источник тепла, а время, необходимое теплу для перемещения от источника к внутреннему цилиндру, делает двигатель Стирлинга менее отзывчивым, чем бензиновые двигатели. Это также затрудняет быстрое изменение выходной мощности двигателя.

Любой возобновляемый источник тепловой энергии (например, солнечная, геотермальная или ядерная энергия) может использоваться для работы двигателя Стирлинга, что потенциально делает его экологически чистой альтернативой. Кроме того, он не требует особого обслуживания и способен обеспечить более высокую эффективность, чем любой современный двигатель внутреннего сгорания. Несмотря на эти достоинства, более высокие первоначальные инвестиционные затраты и низкая удельная мощность не позволяют автомобильным компаниям использовать технологию двигателя Стирлинга в своих автомобилях, потому что для производства даже небольшого объема работы требуются очень большие и тяжелые двигатели Стирлинга, которые не все возможно реализовать в легковых автомобилях.

Источник: Сиэтлский университет

Тем не менее, модифицированные автомобили с двигателем Стирлинга были разработаны НАСА в конце 1970-х годов в рамках их автомобильной программы двигателей Стирлинга. Испытательные проекты в рамках этой программы получили названия MOD I и MOD II, а двигатели для этих испытательных проектов были разработаны Philips и American Motors Corporation (AMC).

MOD II продемонстрировал исключительные результаты в виде сверхэффективного автомобильного двигателя с тепловым КПД 38,5%. В рамках программы двигателей Стирлинга НАСА продемонстрировало возможность создания высокоэффективных автомобилей на основе двигателей Стирлинга, но вскоре финансирование было сокращено, и автопроизводители потеряли интерес к программе. В результате проекты так и не смогли дойти до стадии коммерческого производства.

Области применения двигателя Стирлинга

Источник: Recognize Productions/pexels

Двигатель Стирлинга может обеспечивать почти неограниченную энергию в течение длительного периода времени с минимальными вредными выбросами и минимальными усилиями. Таким образом, многие крупномасштабные приложения, требующие постоянной мощности, могут использовать технологию двигателя Стирлинга для удовлетворения своих потребностей в энергии.

• Атомная энергетика

Регенеративные двигатели замкнутого цикла представляются многообещающей альтернативой паровым турбинам, используемым в ядерных реакторах. В таком случае жидкий натрий можно использовать в качестве теплоносителя, а вода может вообще не потребоваться. Двигатели Стирлинга также могут увеличить мощность ядерного реактора и уменьшить количество образующихся радиоактивных отходов.

В мае 2020 года НАСА сообщило, что ядерные реакторы, оснащенные двигателями Стирлинга, могут использоваться для удовлетворения энергетических потребностей человеческих колоний в космосе.

• Подводные лодки

Подводные лодки с двигателями Стирлинга могут дольше оставаться под водой и работают тише обычных подводных лодок. Kocksums Shipyard, шведский производитель подводных лодок, впервые использовал двигатели Стирлинга на своих подводных лодках класса Gotland, которые сейчас используются шведским флотом.

• Солнечная энергия

При размещении в центре параболического зеркала двигатели Стирлинга оказались более эффективными в преобразовании солнечной энергии в электрическую по сравнению с фотогальваническими элементами.

Согласно исследованию 2016 года, в котором основное внимание уделялось роли двигателей Стирлинга в выработке электроэнергии на солнечной энергии, технология двигателей с горячим воздухом может сыграть ключевую роль в минимизации углеродного следа человека за счет выработки возобновляемой электроэнергии из солнечного излучения.

• Система комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ)

Отработанное тепло, производимое системами комбинированного производства тепла и электроэнергии, также известными как когенерационные системы, может быть использовано в сельскохозяйственных и промышленных целях с помощью технологии двигателей Стирлинга.

Британская компания Inspirit Energy в 2016 году запустила зарядное устройство Inspirit, газовую когенерационную установку. Эта установка на базе двигателя Стирлинга могла вырабатывать 3 кВт электроэнергии и 15 кВт тепловой энергии.

• Двигатель Стирлинга для космических полетов

В марте 2020 года преобразователь энергии Стирлинга, расположенный в исследовательской лаборатории Стирлинга в Исследовательском центре Гленна НАСА, отработал 14 лет бесперебойной и необслуживаемой работы. Эта новаторская технология является частью динамических радиоизотопных энергетических систем НАСА (RPS), которые, как надеется агентство, могут удовлетворить потребности в избыточной энергии его длительных космических миссий в будущем.

Двигатель Стирлинга — это технология, которой уже 200 лет, но она еще не использовала свой максимальный потенциал. Существует большая вероятность того, что текущие эксперименты и будущие версии двигателя Стирлинга могут привести нас к будущему с лучшими, устойчивыми и эффективными энергетическими решениями.

Для вас

Инновации

НАСА предпримет «следующие шаги в солнечном плавании» после того, как космический корабль LightSail 2 сгорел в атмосфере Земли.

Крис Янг | 22.11.2022

наукаБольшие дебаты о планете: переопределение Плутона все еще вызывает споры 15 лет спустя

Мэтью С. Уильямс| 13.09.2022

наукаПроект ядерного синтеза JET открывает захватывающее будущее

Дина Тереза| 07.09.2022

Еще новости

транспорт
Davinci Motor представляет свой электрический мотоцикл с запасом хода 400 км на выставке CES 2023

Jijo Malayil| 06.01.2023

транспорт
Sony и Honda представляют совместный бренд электромобилей AFEELA на выставке CES 2023

Jijo Malayil| 05.01.2023

транспорт
Новый футуристический концепт-кар создан для личных связей

Крис Янг| 05.01.2023

Как работают двигатели Стирлинга.

Как работают двигатели Стирлинга

Подробное объяснение

Не всегда легко понять, как работают двигатели Стирлинга. Я постараюсь объяснить здесь как можно лучше.

Краткое описание двигателей Стирлинга

Внутри двигателя находится фиксированное количество газа. Затем газ перемещается взад и вперед от горячей стороны к холодной стороне двигателя.

Когда газ находится на горячей стороне, он нагревается и расширяется. Когда он на холодной стороне, он охлаждается и сжимается.

Двигатели Стирлинга имеют регенераторы. Регенератор — это теплообменник внутри двигателя, который сохраняет часть тепла от одного цикла для использования в следующем цикле.

В двигателе Стирлинга нет клапанов и нет ни впуска, ни выпуска (из самого двигателя), потому что рабочий газ запечатан внутри двигателя.

Резюме статьи ниже

В приведенной ниже статье подробно объясняется множество различных аспектов двигателей Стирлинга.

Нажмите на любую из ссылок ниже, чтобы перейти к этому разделу:

1. Немного более подробное объяснение
2. Регенераторы двигателя Стирлинга
3. Ice Cube Двигатели Стирлинга
4. Тепло вашего ручного двигателя
5. Охладители Стирлинга и криокулер

Немного более подробное объяснение

Когда обычный бензиновый или дизельный двигатель завершает свой цикл, он открывает выпускные клапаны и выбрасывает выхлопные газы сначала в выхлопную трубу, а затем быстро в окружающую среду.

Двигатели Стирлинга не имеют выхлопа (изнутри двигателя), потому что рабочий газ используется снова и снова в каждом цикле.

Конечно, двигатели Стирлинга можно нагревать пламенными нагревателями (или любой другой формой тепла). Если двигатель Стирлинга спроектирован так, чтобы использовать пламя для нагрева горячей стороны, нагреватель обязательно будет иметь выхлоп.

Почему двигатели Стирлинга могут быть такими чистыми

Пламя выделяет большую часть дыма, когда двигатель запускается и останавливается.

Поскольку пламя на горячей стороне двигателя Стирлинга непрерывное, это пламя может гореть очень чисто. Подумайте, когда горящая спичка дает больше всего дыма. Он производит больше всего дыма, когда вы его зажигаете и когда задуваете — верно?

Спички могут гореть с очень небольшим загрязнением в середине цикла горения. То же самое верно для любого пламени. Пламя делает большую часть своего загрязнения, когда оно начинается и останавливается.

Поскольку бензиновые и дизельные двигатели постоянно зажигаются и гаснут, их труднее заставить работать чисто.

Регенераторы Стирлинга

Двигатели Стирлинга способны улавливать и повторно использовать часть тепла, которое в противном случае было бы потрачено впустую, с помощью внутреннего теплообменника, называемого регенератором.

Регенератор — это что-то внутри двигателя Стирлинга, обычно это специально разработанная деталь, позволяющая накапливать тепло от одного цикла и снова использовать его в следующем цикле.

Регенераторы часто изготавливаются из листов фольги, ваты из нержавеющей стали или металлической губки.

В двигателях с низким перепадом температур они часто изготавливаются из пенопласта, губок и материалов для фильтрации воздуха.

Как работает регенератор

Регенератор уменьшает количество потерянного тепла, сохраняя тепло от одного цикла для использования в следующем цикле.

Когда рабочий газ проходит через регенератор на пути от горячей стороны двигателя к холодной, он накапливает некоторое количество тепла в регенераторе.

Затем, когда воздух течет обратно с холодной стороны на горячую, он забирает часть тепла от регенератора.

Это означает, что в окружающую среду должно отводиться меньше отработанного тепла.

Это означает, что двигатель будет потреблять меньше топлива или (или солнечной энергии) при заданном КПД и заданной выходной мощности.

Почти бесплатный обед

Регенераторы — одна из тех вещей, которые слишком хороши, чтобы быть правдой в мире инженерии, но это правда.

Регенераторы не позволяют повторно использовать все отработанное тепло, но они позволяют повторно использовать большую его часть

На самом деле в инженерии не бывает бесплатных обедов, но хорошо спроектированные регенераторы в хорошо спроектированных двигателях может значительно улучшить характеристики двигателя Стирлинга.

См. мою полную статью о регенераторах двигателя Стирлинга здесь.

Двигатели Стирлинга Ice Cube

Двигатель Стирлинга, работающий на льду.

Одна из захватывающих особенностей двигателей Стирлинга заключается в том, что вы наблюдаете за низкотемпературной разностью двигателей Стирлинга, которые, кажется, работают на кубиках льда.

Как что-то могло подпитываться холодом?

Ну, на самом деле источник топлива не лед.

Источником топлива является тепло из комнаты, и если температура в комнате упадет до температуры льда, двигатель не запустится.

Эти двигатели очень забавны, и, конечно же, вы можете использовать любую замерзшую пустыню в качестве «источника топлива» с дополнительным преимуществом, поскольку вы можете есть топливо.

Тепло ваших рук Двигатели Стирлинга

Наш двигатель Стирлинга ММ-7, работающий от тепла моей руки.

Еще одна замечательная демонстрация двигателей Стирлинга — это тепло вашей руки Двигатели Стирлинга, которые будут работать на разнице температур между теплом вашей теплой руки и температурой воздуха комнатной температуры.

Обратите внимание: если температура воздуха в помещении станет такой же, как температура вашей руки, эти двигатели также не запустятся.

Если вам нравятся подобные вещи, ознакомьтесь с нашим движком Heat of Your Hand здесь.

Волшебства нет, но похоже на волшебство

Двигатели Стирлинга можно заставить работать при очень незначительной разнице температур.

Но чем меньше разница температур, тем больше размер двигателя, необходимого для выработки значительной мощности.

Охладители Стирлинга и криокуллеры

Криоохладитель Стирлинга производства Janis.

Не сразу видно, но двигатель Стирлинга — это обратимый тепловой насос.

Если с одной стороны поставить источник тепла, а с другой — охладитель, то вал будет получать механическую энергию.

Что не очевидно, так это то, что если вы используете электродвигатель для подачи механической энергии на вал, одна сторона будет нагреваться, а другая — холодать.

Это относится ко всем двигателям Стирлинга, даже к двигателям Стирлинга с низким перепадом температур.

Какие двигатели хорошо охлаждают

Двигатели, предназначенные для работы при незначительной разнице температур, будут создавать лишь небольшую разницу температур.

Если вы не проделаете удивительно хорошую работу по изоляции двигателя Стирлинга с низким перепадом температур, вы никогда не сможете обнаружить перепад температур, который возник бы, если бы вы запускали двигатель.

Изготовление собственного демонстрационного охладителя Стирлинга

Если вы купите любой двигатель Стирлинга, предназначенный для работы на пламени, и повернете выходной вал с помощью электродвигателя, вы заметите, что одна сторона нагревается, а другая охлаждается.

Лучше всего попробовать это с двигателем, который ощущается как «подпрыгивающий» на такте сжатия, когда вы вертите его в руках.

Моторизация модели двигателя Стирлинга

Моторизация означает установку электродвигателя на выходной вал и вращение двигателя.

Просто подключите электродвигатель к выходному валу и запустите двигатель на той же скорости, на которой он должен был бы работать, если бы вы использовали его как двигатель, а не как холодильник.

Вы можете использовать любой газ

Почти любой газ может использоваться в качестве рабочего тела внутри двигателя Стирлинга, но есть только несколько газов, которые имеют смысл.

Чем легче газ, тем лучше он передает тепло внутри двигателя.

Водород был бы оптимальным газом. Однако гелий также был бы хорошим вариантом.

Утечка легких газов

Гелий и водород известны инженерам-двигателям Стирлинга тем, что их трудно предотвратить от утечки из двигателей Стирлинга.

Эти крохотные газы имеют тенденцию выходить даже из тщательно спроектированных двигателей. Водород может мигрировать прямо через множество различных металлов.

Эти газы хорошо выделяются только в таких двигателях, как двигатели со свободным поршнем, которые не используют вращающийся механический выходной вал и могут быть полностью герметизированы.

Решение Whispergen

Некоторые недавние разработчики двигателей Стирлинга, в частности Дон Клукас, разработчик двигателя Whispergen Stirling из Новой Зеландии, использовали азот в качестве рабочего газа.

Дон говорит, что азот можно сделать превосходным рабочим газом, и его гораздо легче держать закрытым внутри двигателя в течение длительного периода времени.

Этот опасный газ вас удивит

Когда компания Phillips Electronics возродила современный двигатель Стирлинга в 1950-х годах, инженеры сразу же заметили, что они могут получить больше мощности от двигателя данного размера, создав в нем давление.

Поскольку их первые двигатели использовали воздух в качестве рабочей жидкости, было довольно просто построить двигатель, который накачивался бы сам и выдавал бы больше мощности по мере увеличения давления.

Эти двигатели будут запускаться как двигатели атмосферного давления, а затем нагнетать рабочее давление для получения желаемой выходной мощности.

Проблема заключалась в том, что они случайно построили бомбу.

Треугольник Вечного Огня

Вчера, сегодня и всегда компонентами огненного треугольника были и всегда будут кислород, тепло и топливо.

Когда вы сжимаете кислород, топливо и смазочные материалы внутри двигателя, легко понять, почему в прошлом несколько двигателей Стирлинга с воздушным давлением взрывались.