Pikap24.ru

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

Что такое стирлинг двигатель

Двигатель Стирлинга. Виды и конструкции. Устройство и работа

Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

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:

Читать еще:  Двигатель 409 холодный запускается


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.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность : двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.

Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга бесшумен , так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.

В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.

Альтернатива паровым двигателям.

В 19 веке инженеры пытались создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, из-за того что котлы уже изобретенных двигателей часто взрывались, не выдерживая высокого давления пара и материалов, которые совсем не подходили для их изготовления и постройки. Двигатель Стирлинга стал хорошей альтернативой, поскольку он мог преобразовывать в работу любую разницу температур. В этом и заключается основной принцип работы двигателя Стирлинга. Постоянное чередование нагревания и охлаждения рабочего тела в закрытом цилиндре приводит поршень в движение. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Но так же проводились опыты и с водой. Главная особенность двигателя Стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры,большие рабочие давления и высокая удельная мощность. Также существует Стирлинг с двухфазным рабочим телом. Удельная мощность и рабочее давление в нем тоже достаточно высоки.

Возможно, из курса физики вы помните, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Именно это свойство газов и заложено в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который не уступает циклу Карно по термодинамической эффективности, и в некотором роде даже обладает преимуществом. Цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация такого цикла сложна и малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Всего в цикле Стирлинга четыре фазы, разделённые двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, который находится в цилиндре. В ходе этого процесса изменяется давление из чего и можно получить полезную работу. Полезная работа производится только за счет процессов, проходящих с постоянной температурой, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

Двигатель Стирлинга Работу выполнил: Ученик 9В класса, МАОУ СОШ №27, Жариков Андрей Руководитель: Учитель физики Ивлюшина Ирина Анатольевна

Цель работы : Провести сравнительную характеристику с другими двигателями Выделить области применения Классифицировать виды Стирлингов Сделать выводы о перспективах их использования

Задача Выяснить , перспективно ли развитие Двигателя Стирлинга.

Двигатель Стирлинга — это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. Двигатель Стирлинга Схема и принцип действия двигателя Стирлинга: 1 — цилиндр; 2 — охлаждающая рубашка; 3 — рабочий поршень; 4 — вытеснитель; 5 — шток вытеснителя .

Читать еще:  Автономный датчик температуры двигателя

Двигатель Стирлинга — это не паровой двигатель, но конечно на первый взгляд сходство есть. Главное отличие от паровой машины, в том, что в двигателе не используется пар. В нем нет золотников, парового котла, свечей, нет газораспределительного механизма . Чтобы началась работа, вам потребуется любой источник тепла, будь то солнце, сено, нефть, газ, дрова или ядерный реактор, подойдет все. И даже при подобной всеядности, КПД Стирлинга ни на шаг не уступает показаниям двигателя внутреннего сгорания. И это не последний плюс, Стирлинг двигатели – обратимы. То есть когда подводится тепловая энергия, получается механическая, раскручивается маховик двигателя и вырабатывается холод.

Как рабочее тело в двигателе Стирлинга используется газ ,а не пар, как в паровых двигателях. Для роботы таких двигателей необходима разница температур . Принцип работы заключается в следующем, часть энергии двигателя расходуется на перемещение газа из зоны нагрева в зону охлаждения, при этом давление газа в системе изменяется и приводит в движение рабочий цилиндр.

Типы соединения цилиндров: 1) альфа; 2) бета; 3) гамма. Классификация

Преимущества «Всеядность» двигателя Простота конструкции Экономичность Экологичность

Недостатки Громоздкость и материалоёмкость Тепло подводится не к рабочему телу Для быстрого изменения мощности двигателя используются способы, отличные от применяемых в двигателях внутреннего сгорания: изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем.

Автомобильный двигатель Стирлинга Преимущества двигателя Стирлинга основываются прежде всего на непрерывном процессе горения, и эти преимущества следующие: 1.Малые уровни выброса вредных веществ. 2.Экономия топлива. 3. Низкий уровень шума. Эти преимущества делают двигатель Стирлинга весьма привлекательным, но необходимо проделать еще большую исследовательскую работу для надежности некоторых деталей, например, уплотнений жидкости. Когда стоимость и надежность двигателя станут такими же, как и у обычных двигателей, ожидается широкое распространение двигателей такого типа.

Существует много областей применения для электрогенераторов малой мощности, способных работать автономно в отдаленных районах в течение длительного времени. Уровень их мощности колеблется от 5 Вт до 5 кВт, но особенный Интерес представляет диапазон от 200 до 500 Вт. Такие электрогенераторы требуются для многих целей, но в основном для снабжения электроэнергией систем навигации, таких как маяки и буи, автоматические метеостанции, а также для телеметрии и станций усиления связи. Электрогенераторы малой мощности с двигателем Стирлинга В качестве местного топлива для C тирлинг-генераторов может использоваться торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Электрогенератор мощностью 200 Вт с двигателем Стирлинга воздушного охлаждения. Электрогенератор мощностью 700 Вт с двигателем Стирлинга.

Использование двигателей Стирлинга для морских судов заслуживает внимания, поскольку легкодоступный источник охлаждения позволяет решить одну из главных трудностей, имеющуюся у автомобильных двигателей Стирлинга. Двигатели для морских судов Будущие возможные области применения двигателей Стирлинга фирмы «Филипс» мощностью около нескольких сотен киловатт как для военных, так и для гражданских целей намечаются всякий раз, когда используемые сейчас дизели становятся непригодными по уровню шума, вибрации и загрязнения воздуха. Однако производство таких двигателей маловероятно по причине большой стоимости их разработок и способности дизелестроительных фирм удовлетворять в настоящее время сравнительно небольшой спрос на эти двигатели.

Солнечные Стирлинги были разработаны компанией Stirling Energy Systems , а учёные из лаборатории Сандия помогают их совершенствовать. Сам двигатель — замкнутая система, заполненная водородом, который и циркулирует в ней, нагреваясь и охлаждаясь. Изменение в его давлении двигает поршни, которые вращают вал, связанный с электрогенератором . Солнечные энергетические установки Каждая установка работает автоматически. Без вмешательства оператора или даже присутствия человека. Она запускается каждое утро на рассвете и работает в течение дня, отслеживая солнце и переходя «ко сну» на закате.

Двигатель Стирлинга Двигатель внутреннего сгорания 1)Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач). 1)Обязательное наличие КПП,ГРМ 2)Высокая дальность передвижения на одной заправке 2)Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы. 3)В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. 3)Высокое загрязнение окружающей среды 4)Материалоемкость конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки. 4)Простая конструкция 5)КПД 28-30% 5)КПД до 43,5%

Как загрязняют планету автомобили с двигателями внутреннего сгорания? Количество токсичных компонентов (в г), образующееся при сгорании 1 кг топлива Загрязняющее вещество Бензин Дизельное топливо Оксид углерода 465 21 Углеводороды 23 4 Оксиды азота 15 18 Диоксид серы 2 8 Альдегиды 1 1 Сажа 1 5 Свинец 0,5 0 Всего 507,5 57

Токсичные компоненты Содержание токсичных компонентов» мг/(л. с. с.) Двигатель Стирлинга Газовая турбина Дизель CO C χ H γ NO χ 0,1 —0,3 0,003—0,006 0 ,7 —0,02 2,0-3,6 0,036 0 ,7 —2 ,0 0,2 — 5,0 0 ,6 — 12,0 0 ,4 — 2,0 Сравнительная таблица

Вывод Проведенные мной исследования показали , что двигатель Стирлинга имеет большие шансы на развитие. Из-за своей экологичности ,долгосрочности, способности работать на различных видах топлива и применения в различных сферах, а также если двигатель Стирлинга заменит двигатель внутреннего сгорания, то выбросы в атмосферу токсичных веществ уменьшатся в разы. Тем самым предотвратив множество заболеваний. Если мы хотим сохранить планету и быть здоровыми ,то должны развивать альтернативные источники энергии, в том числе и двигатель Стирлинга, который не плохо бы подошел для решения такой серьезной проблемы , как загрязнение окружающей среды.

Читать еще:  Двигатель d4cb какие фильтра

Альтернативные источники тепла для генератора Стирлинга

Скрупулёзное изучение разных подходов в генерации электричества с использованием альтернативных источников энергии вскрыли любопытную особенность. Оказывается, что при комбинации высокотемпературных солнечных концентраторов с двигателем Стирлинга, КПД системы повышается до 34%!

Начиная с 2005 года, сначала в США, затем в Испании и даже в Великобритании, начали устанавливать альтернативные генераторы электричества, для которых не требовались такие высокотехнологичные материалы как фотоэлементы. Схематично такую конструкцию можно представить как параболическое зеркало, в фокусе которой помещали генератор на двигателе Стирлинга.

Эффект был потрясающий! Такое сочетание простейших устройств практически не имело недостатков:

  • Бесшумность работы;
  • Отсутствие любых выбросов в атмосферу;
  • Двигатели не требуют обслуживания;

Для работы в ночное время, разработчики придумали хитрую систему накопления избыточной тепловой энергии в локальных подземных теплоаккумуляторах.

Нагретый теплоноситель закачивается в небольшие подземные хранилища с высокой степенью теплоизоляции в течении светового дня. Ночью по системе изолированных трубопроводов этот теплоноситель подаётся на рабочий цилиндр генератора Стирлинга, и генерация не останавливается. Производительность снижается почти на 50%, но выработка электроэнергии идёт безостановочно круглые сутки!

Преимущество перед солнечными панелями проявлялось и в стабильности работы при переменной облачности. Ведь если Солнце закрывается облаками, то фотоэлементы резко снижаются производительность, а альтернативный генератор Стирлинга продолжает работать.

Одна такая солнечная тарелка Стирлинга на пике вырабатывает 34 кВт электроэнергии. Компания United Sun Systems с 2015 года выпустила более 20 тысяч таких устройств. Успешно функционируют серьёзные электростанции, например Imperial или Calico, которые генерируют более 800 МВт электроэнергии с самой низкой себестоимостью.

Некоторые из выпускаемых конструкцию, например SunCatcher, хорошо масштабируются, и небольшие солнечные тарелки Стирлинга мощностью 3-5 кВт устанавливаются на крышах зданий с 2010 года.

Выводы

В случае, если недостатки двигателя внешнего сгорания будут устранены, то этот вид силового агрегата придёт на смену ДВС и даже электромоторам. Но ввиду высокой стоимости материалов, сложности их обработки и громоздкости конструкции, двигатель внешнего сгорания пока не может выпускаться массово. Возможно, когда-нибудь будут разработан дешёвый жаростойкий и устойчивый к давлению материал, который будет использоваться при изготовлении двигателя Стирлинга, а пока вся конструкция обходится производителям гораздо дороже, чем обычный ДВС. Удачи и лёгких дорог!

Stirling technology today

A full-sized Stirling engine was built and used from 1818 to pump water from a quarry, after which some success followed, but manufacturing problems coupled with the difficulty of getting investors meant that steam technology continued to dominate.

During the second half of the 19th century many small hot air engines were built to pump water, blow church organs and generate electricity. There was some interest for domestic use but by the early 1900s it was widely replaced by affordable electric motors. By the 1930s, the Stirling engine was largely forgotten.

But that is not the end of the story as Stirling engine technology has undergone somewhat of a renaissance in the last 50 years. It has been trialled for use in hybrid electric cars, has been successfully used to power submarines, and can be driven in reverse to operate portable refrigeration systems. It’s potential as a clean, efficient and reliable source of power has increased interest in recent years due to its compatibility with renewable energy sources. Used in combined heat and power systems it can reuse waste heat, improving efficiency. Placed at the focus of a parabolic mirror, a Stirling engine can convert solar energy to electrical energy and huge Stirling dish plants have been created in hot areas such as Phoenix, Arizona. Stirling technology is even trialled by NASA for use in space.

Stirling’s creation is often overlooked, but this was a revolutionary engine. It tells a story not only of creativity and innovation, but of a humanitarian effort to improve industrial working lives in the 19th century. It is also a story of the longevity of a technical concept and as conventional fuels become scarcer, the ideas of Rev. Robert Stirling 200 years ago are of more relevance today than ever before.

27 September 2016 marked the 200th anniversary of Robert Stirling’s first patent for his ‘heat economiser’ and engine in Scotland. Here’s to the little engine with great future potential!

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector