Что такое двигатель стерленга

Что такое двигатель стерленга


ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА С ЖИДКИМИ ПОРШНЯМИ

Клуб «Крылатское», школа «Интеллектуал»:
Илья Зайцев, Александр Раговский, Дмитрий Власенко
Руководитель: Александр Владимирович Ефимов, ЦИАМ

Эксперименты с двигателем Стирлинга проводятся в Крылатском и школе «Интеллектуал» уже второй год. Нас заинтересовала возможность изготовления и проведения эксперимента с измерением параметров цикла в условиях школьной или клубной мастерской. Первоначально задумывалось изготовление классического «стирлинга». Была проработана соответствующая литература. Из наборов конструктора сделаны кинематические схемы.

Как известно классический двигатель Стирлинга представляет собой тепловую машину, работающую по одноименному циклу. В состав двигателя входят: рабочий цилиндр с поршнем, под которым газ совершает работу, и вытеснитель, перемещающийся между холодной и горячей частью другого цилиндра, причем полости цилиндра с вытеснителем соединены между собой. Каким образом подводится и отводится тепло — не имеет значения. Обычно для нагревания горячей части используется постоянный внешний источник.

инхронность перемещения вытеснителя и поршня обеспечивается той самой кинематической схемой, с которой мы и начали. Конструктивно двигатель уступает любому ДВС и по уровню давления, и по температуре рабочего тела. Единственный достаточно сложным в изготовлении узлом является пара «рабочий поршень — цилиндр». Мы предварительно проработали конструкцию и стали изыскивать возможность изготовления деталей. К сожалению, в условиях школы точеные детали сделать не удалось. Все остальное при некотором напряжении мыслительных способностей и рук вроде бы сделать было можно.

И тут мы натолкнулись на некий двигатель, пройти мимо которого было просто невозможно — двигатель Стирлинга с жидкими поршнями (см. описание в журнале «Двигатель» № 6 за 2005 г.). Классический «стирлинг» мы тоже не забыли, просто вариант с жидкими поршнями заработал первым. Главной особенностью подобного двигателя, названного в журнальной статье «стеклянным», является отсутствие механических частей и какой бы то ни было кинематической связи между элементами.

Каким же образом организуется цикл в этом случае? По утверждению авторов статьи, основными связующими элементами являются сила тяжести и инерция жидкости. Для изготовления модели двигателя нужны были две U-образные трубки, в одной из которых располагается нагреватель и холодильник, а роль вытеснителя играет жидкость. В соседней U-образной трубке также налита вода, которая является рабочим поршнем. В трубке-вытеснителе одна сторона нагревается, другая охлаждается. При правильном подборе сопротивлений трубопровода должен начаться циклический процесс изменения давления и температуры. Главное — не требовалось никакой точной подгонки пары «цилиндр — поршень». И мы попробовали.

Наша модель двигателя Стирлинга состоит из трех одинаковых кювет, выполненных из оргстекла. Размеры их следующие: высота 257 мм, ширина 48 мм и глубина 40 мм. Соответственно, объем внутренней полости составляет 493,44 см3. Все кюветы расположены вертикально. Две кюветы соединены снизу трубкой большего диаметра и сверху трубкой меньшего диаметра. В левой кювете расположен нагреватель, в правой — холодильник. Нагреватель представляет собой нихромовую спираль. Подводимое напряжение — 10 В при токе около 5 А. В качестве источника холода использовался лед. Обе кюветы залиты до половины водой, так что суммарный объем свободного пространства равен объему одной кюветы. Нагреватель расположен на уровне линии раздела жидкости и газа; он слегка утоплен в жидкости. Третья кювета разделена непроницаемой перегородкой на две части, соединяющиеся отверстием у дна. Данная кювета также залита до середины водой. Свободный объем составляет половину объема кюветы.

Для выполнения исследований установка снабжена измерительной системой, включающей датчик давления, термометр и устройство сбора и обработки информации на основе персонального компьютера «Palm» в составе школьной лаборатории «Архимед».
Процесс доводки двигателя и приведения его в рабочее состояние оказался длительным. При кажущейся простоте конструкции заставить ее осуществить цикл Стирлинга оказалось непросто. Мы опустим подробности решения проблем с обеспечением герметичности кювет и работоспособности нагревателя. Дело даже не в этом.

Первоначальные попытки запустить двигатель приводили к тому, что в горячем цилиндре температура монотонно поднималась, вслед за температурой также монотонно увеличивалось давление, а уровень жидкости в вытеснителе, в отличие от уровня жидкости в рабочем поршне, не менялся. Слишком мала была скорость изменения давления. Если полностью перекрыть связь цилиндров по газу, то изменения уровня происходили, но стоило дать хоть маленькую возможность газу перетекать из горячего цилиндра в холодный, как уровни сравнивались. Процесс не «запускался».

Мы пытались даже имитировать работу «стирлинга», наклоняя его, и в этом случае «процесс завязывался», точнее — совершался один цикл. Удача пришла после того как нам удалось достать новый, более мощный лабораторный трансформатор и сделать новый нагреватель. Идея состояла в том, чтобы разместить нагреватель большей частью в жидкости и довести ее до кипения. Это мероприятие дало хороший результат — двигатель заработал!

Возможно, что-то похожее на циклические изменения давления и температуры было и раньше, только были они малозаметны. Какие-то периодические колебания уровня жидкости с амплитудой 2. 3 мм мы, кажется, наблюдали, но может быть нам и показалось. После замены нагревателя колебания уровня достигли 250 мм; даже струйка воды фонтанировала из рабочего цилиндра. Интересно было наблюдать процесс запуска и звуки при работе двигателя. В момент запуска после выдавливания жидкости в холодный цилиндр раздался звук «упх», жидкость довольно быстро перетекла в горячий цилиндр и залила нагреватель. Температура в горячем цилиндре быстро упала, но затем жидкость стала нагреваться. Потом она перетекла в холодный цилиндр, вновь раздалось «упх», видимо, в момент быстрой конденсации насыщенного пара в объеме холодного цилиндра, и снова жидкость быстро перетекла в полость горячего цилиндра. Было интересно наблюдать фонтанирующую жидкость из дренажного отверстия рабочего цилиндра. Пришлось принимать меры для защиты проводников нагревателя. Кстати, лишняя вода из цилиндров вытеснителя также выдавливалась в полость рабочего цилиндра и далее фонтаном выливалась наружу. Достаточно было поставить клапан, и можно было перекачивать воду.
Следующим этапом работы стал тщательный подбор величин сопротивления для получения постоянного периода цикла. Это удалось сделать, изменяя проходное сечение воздушных каналов.

После этого двигатель устойчиво проработал в течении 200 с (полупериод цикла — 25 с) и был выключен из-за появления течи в верхней части горячего поршня. Двигатель запускался с некоторой задержкой: сначала шел разогрев горячей полости, затем — первый толчок с большим периодом цикла и затем двигатель переходил в режим нормальной работы. Запуск повторялся по крайне мере еще дважды с тем же результатом.

При работе температура в горячем цилиндре поддерживалась на уровне около 80 °С. В холодном цилиндре температура не измерялась. Количество жидкости, особенно в рабочем цилиндре после окончания работы, оставалось таким, что кюветы оказываются наполненными наполовину, лишняя жидкость выдавливается во время эксперимента. Коэффициент полезного действия нашей установки мы пока не определяли, но обязательно это сделаем.

В интернет-магазинах предлагают наборы для самостоятельной сборки двигателя Стирлинга, работающего от тепла руки. У нас уже существует некоторое представление о том, как этого добиться. Мы попробуем осуществить задуманное, а о результатах расскажем в следующей статье.

В создании описанной конструкции двигателя Стирлинга с жидкими поршнями приняли участие школьники клуба «Крылатское» и школы «Интеллектуал», при этом активную помощь оказывали сотрудники ЦИАМ им. П.И. Баранова.

СТИРЛИНГ ПО-РОССИЙСКИ

Доктор технических наук В. НИСКОВСКИХ (г. Екатеринбург).

В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним подводом теплоты. Широкого распространения изобретение в то время не получило — слишком сложной была конструкция по сравнению с паровой машиной и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Однако в наши дни вновь возник острый интерес к двигателям Стирлинга. Постоянно появляется информация о новых разработках и попытках наладить их массовое производство. Например, на голландской фирме «Филипс» построили несколько модификаций двигателя Стирлинга для большегрузных автомобилей. Двигатели внешнего сгорания ставят на судах, на небольших электростанциях и ТЭЦ, а в перспективе собираются оснащать ими космические станции (там их предполагают использовать для привода электрогенераторов, поскольку двигатели способны работать даже на орбите Плутона).

Двигатели Стирлинга имеют высокий кпд, могут работать с любым источником теплоты, бесшумны, в них не расходуется рабочее тело, в качестве которого обычно применяют водород или гелий. Двигатель Стирлинга мог бы успешно использоваться на атомных подводных лодках.

В цилиндры работающего двигателя внутреннего сгорания вместе с воздухом обязательно заносятся частицы пыли, вызывающие износ трущихся поверхностей. В двигателях с внешним подводом теплоты такое исключено, поскольку они абсолютно герметичны. Кроме того, смазка не окисляется и требует замены значительно реже, чем в ДВС.

Читать еще:  Что такое отсечка двигателя на киа рио

Двигатель Стирлинга, если его использовать как механизм с внешним приводом, превращается в холодильный агрегат. В 1944 году в Голландии образец такого двигателя раскрутили с помощью электромотора, и температура головки цилиндра вскоре понизилась до -190°С. Подобные устройства успешно используют для сжижения газов.

И все же сложность системы кривошипов и рычагов в поршневых двигателях Стирлинга ограничивает их применение.

Проблему можно решить, заменив поршни роторами. Основная идея изобретения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно — сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра — с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.

Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но «с обратным знаком» происходит в ветви низкого давления.

Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила F =∆ p ( S б — S м ), где ∆ p — разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; S б — рабочая площадь большого ротора; S м — рабочая площадь малого ротора. Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.

Двигатель Стирлинга и огурцы

За свои достижения они получили путевки на российский научный семинар-школу «Академия юных». Она проходила в курортном городе Гагры в рамках национальной научно- исследовательской подготовки «Научные.

Челябинские школьники удивили своими изобретениями

За свои достижения они получили путевки на российский научный семинар-школу «Академия юных». Она проходила в курортном городе Гагры в рамках национальной научно- исследовательской подготовки «Научные кадры будущего».

Открытие священника

Что такое ДВС — двигатель внутреннего сгорания — знает хоть в малейшей степени каждый. Понятно, как говорится, и ежу, что его принцип действия основан на термодинамическом цикле Карно. Но ДВС — ДВСу рознь! Есть еще двигатель внешнего сгорания, где в рабочем цилиндре ничего не горит — не взрывается, а тепло к герметически запакованному в нем рабочему телу (чаще всего это газ либо обыкновенная вода) подается извне! Он действует по термодинамическому циклу совершенно иному от привычного всем цикла Карно.

Что любопытно, совершенно безразлично в этом процессе — каков источник тепла: ядерная реакция, кусок сгоревшего угля, куча утилизируемого мусора, брикет сухого кизяка и даже… тепло руки человека! Любая, даже самая крошечная разница температур — способна стать источником для работы ДВС — «Двигателя великого Стирлинга», так для себя я расшифровал эту аббревиатуру. Все гениальное просто, хотя простота эта требует колоссального напряжения ума и интуиции первооткрывателя. Еще и везение не помешает! Вот вам и опальный священник из Шотландии, Роберт Стирлинг, расстрига, совершивший технологическую революцию (английский патент № 4081 от 27 сентября 1816 года), открывший принципиально иной тип ДВС.

Герой этих строк, челябинский школьник из политехнического (девятиклассник — теперь он в десятом) лицея № 97 Иван Постников, как раз и удивил столичную академическую профессуру действующими моделями двигателей Стирлинга своей собственной конструкции. Причем не просто удивил, вот, мол, какой «Левша» с Урала в столицу прибыл, но и общался по части ДВС с корифеями двигателестроения вполне на равных!

— Двигатель Стирлинга работает весьма эффективно, с высоким КПД при любых разницах температур, — говорит Иван Постников. — В природе можно использовать естественные перепады температур: земля — воздух, вода — воздух, может быть, даже далекие небесные светила будут использоваться как источник энергии для работы двигателя Стирлинга.

По законам термодинамики

В далеком космосе экологически абсолютно безопасные двигатели Стирлинга конкурентов не имеют вовсе! Бесшумные, с высоким КПД, особых источников тепла не требующие, к качеству и типу горючего безразличные, единственное условие — некоторый перепад температур, иначе законы термодинамики не позволят получать энергию из «ничего». Кстати, в Интернете прошла информация, что под­водные лодки стран Скандинавии уже снабжены бесшумными двигательными силовыми и подобными установкам по принципу их работы в термодинамическом цикле Стирлинга. Похожие субмарины на бесшумных двигателях Стирлинга уже есть в составе ВМС США, Великобритании, Кореи, Китая… На флоте же России субмарин с подобным двигателем, черпающим энергию для движения из разницы температур между глубинными слоями мирового океана, нет ни одной!

Про сверхактуальную работу Ивана можно сказать еще следующее: за короткое время он изготовил две действующие модели двигателей Стирлинга различных типов — бета и гамма типов. Первый при разнице температур в 180 градусов выдавал мощность в четыре Ватта при КПД в шесть процентов, а второй получился более удачным. Гамма — тип двигателя на разнице температур 60 градусов работал с мощностью в 24 ватта при КПД около двадцати процентов. Лиха беда — начало! Еще одна деталь — поиски школьника в области ДВС Стирлинга имеют прямой выход на конструкцию тепловых насосов, можно сказать, что они «близнецы-братья» с точки зрения законов термодинамики! А тепловые насосы качают энергию из окружающего пространства идеальнейшим образом без малейшей нагрузки на экологию и вдобавок из естественных возобновляемых самой матушкой- природой источников.

Еще один нюанс, двигатели Стирлинга, которые работают в паре с обычным ДВС либо электродвигателем, могут достигать совершенно невероятного уровня их КПД, например в городском транспорте, и все это без какой-либо дополнительной нагрузки на окружающую среду. Фактически получается, что челябинский школьник в одиночку совершает исследования и изобретения уровня солидного НИИ! Его научный руководитель — преподаватель физики высшей категории политехнического лицея № 97 Дина Михайловна Михайлова. Честь ей и хвала за такого ученика, поразившего московскую профессуру! Все награды Ивана Постникова перечислить просто невозможно, главное, что он занял прочное место в лидерах России среди изобретателей в рамках международных и региональных форумов «Шаг в будущее». Кроме того, он еще и кандидат в мастера спорта по шахматам и не только, еще и по хоккею, играет в числе второй пятерки молодежной сборной команды «Сигнал». Короче говоря, никакой он не «ботаник».

Глобус за гидропонику

Другой мой собеседник школьник-изобретатель Роман Тестов, закончивший девятый класс гимназии № 23 имени Луценко в Челябинске, завоевал международный Гран-при «Хрустальный Глобус» за научно-исследовательскую работу «Методы беспочвенного выращивания растений. Гидропоника». Почвы для выращивания в разработке Романа не требуется вовсе, специально подобранный химический раствор снабжает растения всем необходимым.

Огурцы, а именно их выбрал юный изобретатель для своего многолетнего эксперимента, в его квартире — лаборатории побивают все рекорды. Как в скорости роста, так и в урожайности. Но может возникнуть закономерный вопрос: неужто в России земельки стало так мало и уже необходимо всем нам задумываться уже о выращивании высоких урожаев без самой малейшей толики природной землицы!? Роман, получивший вполне впечатляющие ответы на эти вопросы в ходе многолетних экспериментов на огурцах у себя дома, стал своего рода Мичуриным семейного масштаба.

Теперь еще и «Хрустальный Глобус» за эти многолетние разработки, как знак международного признания находок в науке самородка из Челябинска. Сама установка Романа до
изумления проста, а значит, надежна. Для примера несколько цифр, в одних и тех же световых и температурных условиях почвенные традиционные семена огурцов на шестой день после высева давали ростки в шесть сантиметров, а опытные гидропонные аж до 25 сантиметров!

Но не следует думать, что все эти «научные огурцы» шли прямым ходом на семейный стол. Ничуть не бывало! Каждый огурчик с домашней гидропоннной «грядки» шел не в тарелки, а на священный алтарь науки. Роман их высушивал и проводил многие другие биотехнологические манипуляции, чтобы точно определить сухую массу своего урожая, его влагонасыщенность и в конечном итоге полезность такого огурца — спринтера, выросшего безо всякой почвы.

Читать еще:  W211 самый хороший двигатель

Эти исследования весьма перспективны не только для космических полетов, где без помощи гидропоники никак не обойтись. Они необходимы каждому, кто собрался завести круглогодичный огородик у себя на кухне.

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям с внешним подводом тепла. Техническим результатом является повышение эффективности теплопередачи. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель Стирлинга содержит корпус, вытеснитель и рабочий поршень, выполненные с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения друг относительно друга. Рабочая часть (1) является смежной с вытеснителем для поглощения тепла и окружена блоком (14, 20) из меди или алюминия. Существенная часть блока представляет собой облицовку из слоя (18) нержавеющей стали или Инконеля толщиной между 3 мм и 0,15 мм. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель Стирлинга, содержащий корпус, содержащий вытеснитель и рабочий поршень, выполненные с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения друг относительно друга, рабочую часть, смежную с вытеснителем для поглощения тепла, причем рабочая часть окружена блоком из меди или алюминия, при этом часть, которая принимает тепло, излучаемое источником тепла, составляет облицовка из слоя нержавеющей стали или Инконеля толщиной между 3 мм и 0,15 мм. 2. Двигатель по п. 1, в котором блок имеет максимальное расстояние от самой внешней поверхности до ближайшей части корпуса, большей чем 1 см. 3. Двигатель по п. 1 или 2, в котором толщина облицовочного слоя составляет от 1 мм до 0,5 мм. 4. Двигатель по любому из предшествующих пунктов, в котором блок имеет, по существу, форму усеченного конуса, расположен коаксиально с рабочей частью и с более широким концом самого дальнего от рабочей части блока, где он обеспечивает круглую поверхность. 5. Двигатель по п. 4, в котором только круглая поверхность блока на более широком конце представляет собой облицовку. 6. Двигатель по п. 5, в котором на коническую поверхность блока наплавлен никель. 7. Двигатель по любому из пп. 1-3, в котором блок имеет, по существу, цилиндрическую форму и расположен коаксиально с рабочей частью. 8. Двигатель по п. 7, в котором верхняя и/или боковая поверхности блока представляют собой облицовку. 9. Двигатель по п.1, который является свободнопоршневым двигателем. 10. Двигатель п.1, который является линейным двигателем. 11. Комбинация двигателя по любому из предшествующих пунктов с источником энергии в виде биомассы, отработанного тепла или солнечного тепла, выполненным с возможностью подведения тепла к рабочей части посредством блока и облицовки.

ОБЛАСТЬ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к двигателю Стирлинга.

Двигатели Стирлинга являются тепловыми машинами, работающими по циклу Карно, которые работают лучше всего, когда имеют достаточно высокий подвод тепла с постоянной высокой температурой через свои рабочие части. Таким образом, они идеально подходят для нагрева газовой горелкой, которая может всегда подавать достаточно тепла при высокой температуре. Заявитель разработал и производит такой двигатель Стирлинга (двигатель Microgen TM lkWe) подходящий для применения в домашнем оборудовании для обеспечения электроэнергией и горячей водой. Газовая горелка спроектирована для подачи тепла с высокой температурой к оптимальному месту, противоположному внутреннему и внешнему акцепторному оребрению двигателя Стирлинга.

Двигатели также хорошо подходят для использования на удаленных площадках, поскольку являются герметичными блоками с большим сроком службы и требуют мало или вообще не требуют техобслуживания. Однако, вдали от гарантированного газоснабжения, виды топлива, которые имеются в наличии, например, биомасса, отработанное тепло и солнечная энергия не способны генерировать тепло в постоянном режиме, как это обеспечивает система газоснабжения.

Одной попыткой решения данной проблемы является заключение рабочей части двигателя Стирлинга в блок из меди, припаянный к рабочей части на месте, где обычно прикрепляют внешнее оребрение. Медь имеет высокую удельную теплопроводность, и поэтому создается увеличенная площадь поверхности и хорошая теплопередача на рабочую часть. Дополнительно, ее масса обеспечивает тепловую инерцию для сглаживания любых вариаций при подводе тепла.

Указанное, однако, не дает работоспособного решения, поскольку оксид меди быстро нарастает на внешней поверхности медного блока, функциональные возможности которого по теплопередаче за очень короткий промежуток времени уменьшаются до неприемлемого уровня.

Согласно настоящему изобретению создан двигатель Стирлинга содержащий корпус, который содержит вытеснитель и рабочий поршень, выполненные с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения относительно друг друга, рабочую часть, смежную с вытеснителем для поглощения тепла, причем рабочая часть окружена блоком из меди или алюминия, при этом существенной частью блока является облицовка слоем нержавеющей стали или Инконеля толщиной между 3 мм и 0,15 мм.

Предпринимая очевидно контрпродуктивный шаг по применению материала с низкой удельной теплопроводностью, настоящее изобретение создает, впервые, успешный двигатель Стирлинга, который можно применять, когда источник тепла имеет низкую температуру и является трудно направляемым и управляемым.

Высокая удельная теплопроводность блока из меди или алюминия уменьшает падение температуры на блоке, уменьшая среднюю температуру блока для данной мощности двигателя и рабочей температуры рабочей части. Обычно, медь должна иметь удельную теплопроводность приблизительно 400 Вт/мК и алюминий приблизительно 200Вт/мК. Данная увеличенная масса содействует поддерживанию и контролированию более ровных температур, имея существенную количество тепла и обеспечивая замедленные временные ограничения и гораздо больше времени до перегрева рабочей части или переохлаждения. Данное требуется в системах, где источник тепла точно не регулируется и дает гораздо больше времени для управляющих воздействий на источник тепла.

Увеличенная площадь поверхности от рабочей части уменьшает интенсивность теплового потока и снижает температуру поверхности. Данное обеспечивает применение материала менее исчерпывающего поглощения и, следовательно, более дешевого.

Требуется блок из меди или алюминия достаточно большой, чтобы иметь необходимую тепловую инерцию и площадь поверхности. Фактические размеры блока должны зависеть от размера двигателя и источника тепла. Вместе с тем, предпочтительно, блок имеет максимальное расстояние от самой внешней поверхности до ближайшей части корпуса, большее, чем 1 см. Данное фактически требует минимальной толщины блока, составляющей по меньшей мере 1 см.

Аналогично, конкретная толщина слоя облицовки зависит от рабочих параметров. Вместе с тем, толщина предпочтительно составляет от 1 мм до 0,5 мм.

Блок может иметь в общем форму усеченного конуса, расположенного коаксиально с рабочей частью и с более широким концом самого дальнего от рабочей части блока, где он обеспечивает круглую поверхность. Данная форма усеченного конуса представляет широкую круглую поверхность, обращенную от рабочей части цилиндра, которая является особенно подходящей для поглощения солнечного излучения.

Предпочтительно, только круглая поверхность блока на более широком конце представляет собой облицовку. Данная поверхность должна испытывать самые высокие температуры и поэтому выигрывает от защитной облицовки. Также, коническая криволинейная поверхность под круглой поверхностью является более сложной для облицовки. Данную поверхность предпочтительно наплавливают.

Для источника, не являющегося солнечным источником энергии, блок по существу с цилиндрической конфигурацией является предпочтительным. В данном случае, большая часть тепла поглощается через верхнюю и боковую поверхности блока. Боковая и верхняя поверхности предпочтительно представляют собой облицовку.

Двигатель Стирлинга может являться двигателем Стирлинга любого вида, но предпочтительно является свободнопоршневым двигателем и является предпочтительно линейным двигателем.

Примеры двигателей Стирлинга согласно настоящему изобретению описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 представляет собой вид сбоку двигателя Стирлинга с участком рабочая часть, показанным в сечении для применения с источником солнечной энергии.

На фиг. 2 представляет собой сечение через конец рабочей части корпуса двигателя Стирлинга для двигателя, использующего в качестве источника энергии биомассу или отработанное тепло.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Базовая конструкция двигателя Стирлинга является известной в технике, например, двигатель Microgen TM lkW. Двигатель является линейным свободнопоршневым двигателем Стирлинга с вытеснителем (не показан) смежным с конец 1 рабочей части и рабочим поршнем (не показан) смежным с противоположным концом 2. Тепло подается на конец 1 рабочей части. Данная теплота поглощается внутренним оребрением 3, как показано на фиг. 2. Контур охладителя окружает центральный участок двигателя. Данный контур содержит впуск 4 охладителя и внутреннюю камеру 5 охладителя, вокруг которой охладитель циркулирует для создания перепада температуры между концом рабочей части и центральным участком двигателя. Данный перепад вызывает возвратно-поступательное перемещение вытеснителя образом, хорошо известным в уровне техники. Вытеснитель возвратно-поступательно перемещается без совпадения по фазе с рабочим поршнем, и создается выходной переменный ток на противоположном конце 2. Вода в контуре охладителя затем подается в теплообменник (не показан), где поглощает тепло отработанных газов двигателя для обеспечения подачи тепла.

Читать еще:  Двигатель aar принцип работы

Кольцевой фланец 7 окружает центральный участок двигателя и является средством, на которое двигатель опирается, также известным в уровне техники.

Настоящее изобретение направлено на создание блока смежного с рабочей частью для улучшения поглощение тепла для частных источников.

Как показано на фиг. 1, рабочая часть 10 цилиндра окружена блоком 11, имеющим в общем форму усеченного конуса с узким кольцевым концом 12 и широким круглым концом 13 с цилиндрической выемкой 14, продолжающейся по центру от узкого конца 12 блока 11 большую часть расстояния до более широкого конца. На конце выемки 14, образовано пространство 15 между криволинейной вершиной рабочей части и блоком 11. Данное выполнено, во-первых, поскольку создается низкая теплопередача, которая происходит в данной точке, и во-вторых поскольку цилиндрическую форму, показанную на фиг. 1, проще выполнить станочной обработкой.

Блок 11 выполнен из меди или алюминия и круглая верхняя поверхность 16 является облицовкой с круглым диском 18 из нержавеющей стали или Инконеля толщиной между 3 мм и 0,15 мм. На криволинейную поверхность 17 медного блока 14 и/или нижнюю облицовку 13 на узком конце 12 наплавлен никель.

Для работы обеспечен приемник солнечной энергии для направления солнечной энергии на круглый конец 13 так, что данная энергия поглощается в блок 11 и, таким образом, в рабочую часть 10. Понятно, что относительно большой размер блока и использование в нем меди или алюминия обеспечивает большое количество тепла, что оптимизирует поглощение тепла в рабочей части. Во-вторых, большое количество тепла обеспечивает некоторый уровень сглаживания для данного иначе непредсказуемого источника тепла.

На фиг. 2 показан аналогичный блок, подходящий для варианта без использования солнечной энергии. В данном случае блок 20 является цилиндрическим, но имеет аналогичную центральную выемку 14, принимающую рабочую часть. В данном случае обе, круглая концевая поверхность 21 и кольцевая боковая поверхность 22 облицованы слоем нержавеющей стали или Инконеля с толщиной между 3 мм и 0,15 мм, так как теплопередача более равномерно распределена по поверхностям. Концевая поверхность 23 блока ближайшая к установочному хомуту 7 не требует облицовки, поскольку не принимает значительного тепла напрямую. Однако, при необходимости тепло может требовать облицовки.

Обычные тепловые свойства используемых материалов приведены ниже:

Как построить эффективный тепловой насос Стирлинга?

Двигатели или тепловые насосы Стирлинга — это системы, которые могут работать при невероятно малой разности температур. Некоторым вариантам двигателей Стирлинга для работы достаточно даже тепла человеческого тела. В статье мы рассматриваем динамику этой интересной машины, которую можно построить в домашних условиях, и показываем, как создать её модель в COMSOL Multiphysics.

Современные применения старой идеи

Сначала немного истории двигателя Стирлинга. Разработанный два века назад в 1816 году Робертом Стирлингом двигатель в то время называли «двигателем будущего». Хотя эта технология так и не стала действительно популярной, двигатели Стирлинга широко используются во многих современных прикладных задачах. Например, солнечный вариант двигателя Стирлинга непосредственно преобразует солнечное тепло в механическую энергию, которая в свою очередь приводит в движение генератор и производит электричество. Кроме того, этот же подход используется для получения энергии из геотермальных источников и тепловых сбросов промышленных предприятий. Вероятно, самая удивительная область, в которой нашли свое применение двигатели Стирлинга — это шведские подводные лодки; в них двигатели Стирлинга обеспечивают тягу даже без доступа к воздуху.

От тепловой энергии к механической работе

Мы рассказали о некоторых применениях двигателей Стирлинга, но каков же принцип работы этого устройства? В двигателе Стирлинга тепловая энергия преобразуется в механическую работу в ходе циклического процесса. Детали реализации могут отличаться, но основной принцип остается неизменным. Рабочее тело проходит через четыре процесса: охлаждение, сжатие, нагрев и расширение. Теплота переносится газом от горячей стороны двигателя к холодной. КПД двигателя не превосходит КПД цикла Карно.

В отличие от обычных двигателей, двигатели Стирлинга не требуют для своей работы высоких температур. Некоторые двигатели успешно работают при небольшой разности температур между горячей и холодной сторонами. Кроме того, для них характерен очень низкий уровень шума и соответствующих потерь энергии, поскольку в рабочем процессе не происходят взрывы и не выделяются выхлопные газы. В то же время двигатели Стирлинга лучше всего подходят для прикладных задач, в которых требуется обеспечить постоянную мощность, поскольку динамически регулировать их мощность чрезвычайно сложно. Это, вероятно, самая главная причина, по которой мы до сих пор не управляем автомобилями с двигателями Стирлинга.


Двигатель Стирлинга, работающий от тепла человеческой ладони. (Изображение «Двигатель Стирлинга, который работает только от разности температур между окружающим воздухом и ладонью». Собственная работа участника Arsdell. Доступно по лицензии Creative Commons «Атрибуция — На тех же условиях» 3.0 на Викискладе).

Как построить свой собственный двигатель Стирлинга

Если у вас есть опыт ручной работы, вы можете сами собрать двигатель Стирлинга в домашних условиях даже без профессиональных инструментов и соответствующего опыта. На YouTube вы можете найти несколько видеоуроков и пошаговых руководств по сборке двигателя. Самый простой вариант можно собрать из банки из-под колы и других ненужных в хозяйстве вещей.

Конечно, КПД такого двигателя Стирлинга вряд ли будет оптимальным. Более подходящим решением является создание численной модели двигателя.

Моделирование теплового насоса Стирлинга в COMSOL Multiphysics

С помощью численной модели двигателя Стирлинга мы можем подобрать и испытать различные сочетания материалов и настройки параметров. Процесс описывается уравнениями теплопередачи и гидродинамики, а для упрощенного описания механической составляющей процесса достаточно решить дополнительное обыкновенное дифференциальное уравнение — уравнение движения.

Двухмерная осесимметричная модель состоит из основного цилиндра, который содержит рабочее тело (воздух) и поршень. В малом цилиндре вверху расположен приводной поршень. Оба поршня соединены параллельно и двигаются на коленчатом валу, на котором они разнесены по фазе на 90°. Коленчатый вал в модель не включен. Такой вид двигателя Стирлинга называется гамма-конфигурацией.


Модель теплового насоса Стирлинга.

Здесь задача теплопередачи в рабочем газе уже решена. Механическая сторона процесса реализуется с помощью подвижной сетки (ALE). Вытеснитель и приводной поршень могут свободно двигаться в направлении z. Установленное смещение соответствует режиму теплового насоса. При этом механическая работа используется для передачи тепловой энергии в направлении, противоположном направлению самопроизвольной передачи теплоты. Обратный процесс — собственно работу двигателя Стирлинга — можно моделировать, используя источник тепла и рассчитывая конечные силы давления на приводной поршень и вытеснитель. В любом случае, система проходит цепочку процессов, которые соответствуют четырем стадиям цикла Карно:


Термодинамические процессы, действующие на рабочее тело.

КПД такого цикла далек от цикла Карно, но полученный график зависимости давления от объема, который вы видите ниже, совпадает с экспериментальными данными.


График зависимости давления от объема в цикле Стирлинга.

Основное преимущество модели заключается в том, что мы можем изучать физические явления в тепловом насосе. Например, представленное ниже анимированное изображение показывает распределение скоростей во время работы теплового насоса.

Распределение скоростей во время работы теплового насоса.

Поршень передает механическую энергию, требуемую для перекачки тепла, а значит, мы можем изучить динамическое распределение температуры во время работы теплового насоса.

Анимация, показывающая распределение температуры.

Увеличение КПД

Чтобы увеличить КПД двигателя Стирлинга, необходимо максимизировать площадь замкнутой области на графике «давление-объем» (pV-диаграмме). Эта площадь соответствует работе, совершенной двигателем. Общий КПД двигателя можно увеличить несколькими способами. Выбор в качестве рабочего тела газа с высокой удельной газовой постоянной (например, с малой молярной массой) максимизирует работу, которую может произвести двигатель в процессе изотермического расширения. Поэтому в качестве рабочего газа обычно используют водород или гелий. Кроме этого, можно максимизировать передачу тепла через вытеснитель, используя пористый вытеснитель-регенератор (см. эту статью).

Рубрики блога

Я соглашаюсь с тем, что COMSOL будет собирать, хранить и обрабатывать мои персональные данные согласно моим настройкам и Политике конфиденциальности COMSOL . Я соглашаюсь получать электронные письма от COMSOL AB и его аффилированных компаний о блоге COMSOL. Это согласие может быть отозвано.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector