Pikap24.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое двигатель стирлинга история

Цикл Стирлинга — Stirling cycle

  • Равновесие / Неравновесный
  • Работа
  • Высокая температура
  • Теорема Карно
  • Теорема Клаузиуса
  • Фундаментальное отношение
  • Закон идеального газа
  • Свободная энергия
  • Свободная энтропия
  • История
  • Культура
  • Энтропия и время
  • Энтропия и жизнь
  • Броуновская трещотка
  • Демон Максвелла
  • Парадокс тепловой смерти
  • Парадокс лошмидта
  • Синергетика
  • Термодинамика
  • Тепловые двигатели
  • Бернулли
  • Больцман
  • Карно
  • Клапейрон
  • Клаузиус
  • Каратеодори
  • Duhem
  • Гиббс
  • фон Гельмгольц
  • Джоуль
  • Максвелл
  • фон Майер
  • Онсагер
  • Ренкин
  • Смитон
  • Шталь
  • Томпсон
  • Томсон
  • ван дер Ваальс
  • Waterston

В Цикл Стирлинга это термодинамический цикл описывающий общий класс устройств Стирлинга. Это включает в себя оригинал двигатель Стирлинга который был изобретен, разработан и запатентован в 1816 г. Роберт Стирлинг с помощью своего брата, инженер. [1]

Идеал Отто и Дизель циклы не полностью обратимы, потому что они включают передачу тепла за счет конечной разницы температур во время необратимого изохорный/изобарический процессы подвода тепла и отвода тепла. Из-за необратимости тепловой КПД этих циклов меньше, чем у Двигатель Карно работающие в тех же пределах температуры. Другой цикл, который включает изотермические процессы добавления и отвода тепла, — это цикл Стирлинга, который представляет собой измененную версию цикла Карно, в котором два изоэнтропических процесса, представленные в цикле Карно, заменены двумя процессами регенерации постоянного объема.

Цикл обратимый, а это означает, что при подаче механической энергии он может работать как Тепловой насос для отопления или охлаждение, и даже для криогенный охлаждение. Цикл определяется как закрытый регенеративный цикл с газообразный рабочая жидкость. «Замкнутый цикл» означает, что рабочая жидкость постоянно находится внутри термодинамическая система. Это также относит устройство двигателя к категории внешний тепловой двигатель. «Регенеративный» относится к использованию внутреннего теплообменника, называемого регенератор что увеличивает тепловая эффективность.

Цикл такой же, как и большинство других тепловых циклов, в нем четыре основных процесса: сжатие, добавление тепла, расширение и отвод тепла. Однако эти процессы не дискретны, а скорее переходы перекрываются.

Цикл Стирлинга — это очень сложный предмет, который не поддавался анализу многих экспертов на протяжении более 190 лет. Для описания цикла требуется высокоразвитая термодинамика. Профессор Исраэль Уриэли пишет: «. различные« идеальные »циклы (например, цикл Шмидта) не могут быть физически реализованы и не представляют цикл Стирлинга». [2]

Аналитическая проблема регенератор (центральный теплообменник в цикле Стирлинга) оценивается Якобом как «один из самых сложных и сложных, встречающихся в технике». [3] [4]

Что такое двигатель стирлинга история

Сам двигатель был изобретен пастором Стирлингом в 1816 году, а в 1817 году им был получен патент на изобретение. Это была тяжелая машина весом больше тонны имеющей мощность чуть более одной лошадиной силы (менее одного Квт), а её механический КПД (коэффициент полезного действия) был по разным оценкам не выше 3%. Она была открытого типа (т.е. не герметичная) и не имела регенератора. Основным достоинством было то, что её можно было изготовить в любой сельской кузнице, а так же то, что давление в ней было атмосферное.

Примечателен ещё один факт – цикл Карно, описывающий тепловые процессы газов, был открыт в 1825 году, т.е. спустя 9 лет после изобретения Стирлинга.

Это говорит об гениальности изобретателя, который на своих наблюдениях над процессами расширения и сжимания газов (воздуха) чисто интуитивно сконструировал свою машину. Впоследствии Стирлинг ввел в машину закрытый цикл (машина стала герметичной), а так же регенератор – устройство, которое накапливало и отдавало тепловую энергию в разных циклах работы машины. До конца 20-го века были изготовлены порядка 1 тысячи машин, которые были поставлены в основном в колонии (США) и некоторые из которых работают и по сей день. Их вес стал меньше, а КПД поднялось до 10%. Но машина Стирлинга была вытеснена с рынка вначале паровой машиной, затем паровой турбиной, и двигателями внутреннего сгорания, двигателем Дизеля. Новые машины за счет повышенного давления в рабочей полости (в цилиндрах и камерах) имели лучше показатель «вес/габарит/мощность».

Читать еще:  Что такое тип двигателя электро

Как работает классическая машина Стирлинга?

В ИНТЕРНЕТе есть много информации по типам и принципу действия машины Стирлинга. Если коротко описать принцип действия, то можно сказать, что в течении 4-х циклов происходит расширение и сжатие газа в цилиндрах (их количество варьирует от одного до десятка), с нагреванием одних из них и отводом тепла от другогих. Регенератор при этом служит для аккумулирования тепловой энергии газообразного тела, вытекающего из горячей полости, и возвращения аккумулированной энергии газообразному телу при обратном движении – от холодной полости. От того, насколько хорошо работает регенератор, зависит общий КПД машины.

Преимущества машины Стирлинга:

— этот двигатель называют «двигатель внешнего сгорания» так как для его запуска необходима внешняя тепловая энергия, т.е. двигатель «всеяден»,

— в двигателе нет ни одного клапана,

— все процессы, протекающие в двигатели происходят без взрывов и резких изменениях давления, т.е. двигатель малошумящий,

— количество механических деталей, как правило, меньше в 1,5-2 раза по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и двигателями Дизеля,

— КПД сложных машин Стирлинга выше двигателя внутреннего сгорания (макс. 25%) и двигателя Дизеля (до 32%) и составляет у самых лучших образцов (32-34)%.

Недостатки машины Стирлинга:

— для получения приемлимых массогабаритных параметров необходимы давления до 200атм. и применение высоко текучего гелия или взрывоопасного водорода,

— использования уплотнений, работающих без смазки,

— сложная конструкция теплообменников в горячей и холодной полости,

— сложная конструкция регенератора,

— высокоэффективная система охлаждения,

— отсутствие чёткой математической модели, описывающей все процессы, протекающие в той или иной части машины.

Какие существуют типы машин?

Классификация машин Стирлинга по типу, применяемому рабочему телу, конструкции и прочее очень сложная. Подробная информация содержится в ИНТРНЕТе. Исходя из сложности, значения КПД, применяемого рабочего тела и стоимости, мы для себя классифицировали машины на три основных типа:

ПЕРВЫЙ – сложный, с применением в качестве рабочего тела гелия или водорода, с рабочим давлением больше 200 атм., имеющие в составе регенератор. Их механический КПД выше 30%, зато стоимость и сложность изготовления высокая.

ВТОРОЙ – средний. В качестве рабочего тела используется воздух и/или азот, рабочее давление до 10атм., имеющие в своем составе регенератор. Их КПД редко достигает 20%, зато стоимость и сложность средняя,

ТРЕТИЙ – простой. В их конструкции отсутствует регенератор, давление 1 атм., и соответственно КПД — менее 4%. Большой габарит при малой мощности, зато цена низкая. Используется как модели, но применения в промышленности не нашли.

Ход работ

Для изучения вопроса вначале нами были изготовлены 2 машина Стирлинга ПЕРВОГО типа, т.е. без регенератора, с рабочим давлением 1 атм. и воздухом в качестве рабочего тела. Были изготовлены 2 макета машин конструкции «ГАММА» и «БЕТА». На них отработаны методы замера механической мощности и КПД.

На сегодня проводится отработка узлов «регенератор», «теплообменник», «уплотнения». Эти работы проводятся над отдельными узлами. Целью этих исследовательских работ является получения рабочих узлов с их последующим применением в машинах ВТОРОГО типа.

Читать еще:  Бмв двигатель м52 расход масла

Наш выбор.

Исходя из наших возможностей, возможностей технологического парка станков, квалификации и опыта специалистов в Республике Молдова, нами был выбран ВТОРОЙ тип машины, т.е. работающие при рабочем давлении не больше 10-ти атм., с регенератором и воздухом или азотом в качестве рабочего тела. В основном выбор основывается на создании безопасной и простой машины, с высоким ресурсом работы и малой стоимостью. Пользователь не должен обладать квалификацией или специальными знаниями при её эксплуатации, а неполадки не должны приводить к взрывам или иным опасным ситуациям.

ПОЧЕМУ МАШИНЫ ВТОРОГО ТИПА?

Простой расчёт показывает, что для использования машины Стирлинга в сельской местности высокий КПД не нужен. И вот почему… Допустим, КПД машины равен 15%. О чём это говорит? Это означает, что 15% будут преобразованы в механическую (т.е. электрическую) энергию, а остальные 85% будут выведены их машины Стирлинга в качестве тепла, ведь для охлаждения машины нужен эффективный охладитель. Допустим, что машина вырабатывает 1.5 кВт* механической / электрической энергии, тогда система охлаждения машины выведет во внешний контур 8.5 кВт тепловой энергии с температурой (70-90)°С. Это соотношение так же хорошо при КПД машины 10% — на 1кВт* электричества будет вырабатываться 9кВт тепла.

Примеры применения машины Стирлинга

В Республике Молдова выращиваются от 0.5 до 1.0 млн. тонн пшеницы. Примерно столько же остаётся соломы.

Энергетическая ценность соломы составляет примерно (0,6-0,7) от угля среднего качества (не путать вес и объем), что по энергетической ценности эквивалентно как минимум 300 тысяч тонн угля в самый плохой год. Для отопления среднее хозяйство в сельской местности потребляет порядка (1,0-1,2) тонн угла среднего качества, а количество хозяйств в сельской местности примерно равно 300 тысяч, т.е. для их полного обеспечения необходимо от 300 до 360 тысяч тонн угля среднего качества.

Вывод

Если всю солому,которая остается на полях, использовать для отопления и выработки электроэнергии, то даже её практически хватит для этих целей. Так же можно применять отходы кукурузы, подсолнечника, а так же энергию Солнца. А для этого нужен «двигатель внешнего сгорания», коим и является машина Стирлинга.

* без учёта КПД преобразования механическая энергия / электрическая энергия.

Двигатель для судов

В ДС примерно 50% теплоты, участвующей в цикле, отводится через холодильник (у дизеля 20%), причем для достижения высокого термического КПД двигателя тепло должно отводиться при пониженной температуре (как правило, 60 °С). В обычных условиях это требует применения более мощной системы охлаждения с радиатором, имеющим в 2,5—3 раза большую поверхность, чем у дизеля.

Это существенное затруднение полностью отпадает при использовании ДС на водном транспорте, где охлаждающая среда — забортная вода — в неограниченном количестве. Сравнительно низкая ее температура (4—15° для средних широт) увеличивает разницу температур нагревателя и холодильника, следовательно, при этом КПД двигателя выше. Например, низкооборотные судовые дизели нового поколения мощностью порядка 1000—9000 кВт имеют эффективный КПД до 50%.

Значительно повысить экономичность эксплуатации судов позволит использование ДС, в котором будет сжигаться каменный уголь. Решающим доводом за такое решение является то, что стоимость угля в 6—10 раз ниже стоимости дизельного топлива. Одновременно, благодаря особенностям нового двигателя, повысится надежность силовой установки и готовность судна к эксплуатации, уменьшится объем работ по его техническому обслуживанию. Канадские ученые должным образом оценили эти преимущества и ведут исследования по переделке обычных судовых дизелей мощностью до 1700 кВт в двигатели Стирлинга, работающие на угле. Порошкообразный уголь предполагается подавать в камеру сгорания ДС при помощи форсунок и сжигать в распыленном состоянии

Читать еще:  Axg что это за двигатели

В последнее время к двигателю Стирлинга проявляют интерес даже некоторые фирмы, специализирующиеся на производстве судовых дизелей. Например, японская фирма «Мицубиси» недавно провела успешное испытание судового ДС мощностью 66 кВт. В период с 1980 по 1983 гг. в Шанхайском НИИ судовых дизелей был разработан двухцилиндровый ДС мощностью 7,5 кВт.

Большой интерес представляет возможность использования для судовых ДС тепловых аккумуляторов вместо топлива. Запас тепловой энергии в расплавах некоторых солей, например, фтористого лития, составляет примерно 0,5 кВт ч/л (500 кВт ч/м 3 ) Таким образом, энергоемкость тепловых аккумуляторов соизмерима с калорийностью обычных топлив и вполне достаточна для многих судов, совершающих не слишком длительные рейсы. В Николаевском кораблестроительном институте разработан проект судовой энергетической установки мощностью 100 кВт с тепловым аккумулятором, материалом для которого служит обыкновенный графит.

Зарядку тепловых аккумуляторов для судов можно производить при помощи сжигания угля, используя излишки электроэнергии в ночное время, а также от расположенных в портах высокотемпературных ядерных реакторов.

Двигатель Стирлинга весьма эффективен для установки на небольшие суда. Так фирма «Юнайтед Стирлинг» установила одноцилиндровый ДС мощностью 10 л. с. на серийно выпускаемом катере типа «Альбин» длиной 10 м, обеспечив скорость катера 7 уз. Двигатель был установлен в корме и снабжен реверс-редуктором. Уровень шума, который был измерен на расстоянии 1 м от двигателя, работающего на полной нагрузке без какого-либо глушителя, составлял всего 68 дБ, что на 20 дБ меньше, чем у ДВС.

Аналогичные испытания проведены на катере «Стирлинг Силенса» датской постройки. Катер развил скорость 13 уз, работа двигателя оказалась надежной, вибрации не ощущались. Можно полагать, что при серийном выпуске ДС вытеснят ДВС на малых судах.

Одно из специфических качеств двигателя Стирлинга — способность работать с тепловым аккумулятором без атмосферного воздуха может быть успешно реализовано на подводных аппаратах. Полное отсутствие загрязнения водной среды, возможность многократного и быстрого разогрева материала теплоаккумулятора на судне обеспечения позволяют эффективно использовать такой аппарат при любых видах подводных исследований и работ.

Энергозапас силовой установки с ДС и тепловым аккумулятором (с расплавом фтористого лития) в 8—10 раз больше, чем у обычной системы со свинцовокислотными аккумуляторами и электродвигателем постоянного тока.

Двигатель Стирлинга, в отличие от электро двигателя, даже при самом высоком КПД выделяет в окружающую среду много тепла. Поэтому подводный буксировщик с ДС легко приспособить для одновременного обогрева водолаза.

Согласно полученным автором экспериментальным данным, стандартного пятилитрового баллона с пропаном хватает для непрерывной работы самодельного ДС мощностью 0,1 кВт в течение 40 часов. Такой лодочный мотор удобен и надежен в эксплуатации, исключает загрязнение водоемов.

Итак, есть все технико-экономические предпосылки для того, чтобы двигатели Стирлинга мощностью до 1 кВт нашли применение на подводных буксировщиках и в качестве массового лодочного мотора. Дело в том, что при серийном производстве стоимость таких двигателей упрощенной конструкции, по моим предварительным расчетам, уже в настоящее время не может превышать стоимости обычных подвесных лодочных моторов с ДВС.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector