Двигатель Стирлинга - Википедия - Stirling engine

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: "Двигатель Стирлинга"  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Июль 2020 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Двигатель Стирлинга типа "Альфа". Есть два цилиндра. В цилиндре расширения (красный) поддерживается высокая температура, в то время как цилиндр сжатия (синий) охлаждается. В проходе между двумя цилиндрами находится регенератор.

Двигатель Стирлинга бета-типа, только с одним цилиндром, горячим с одного конца и холодным с другого. Буйковый уровнемер с неплотной посадкой направляет воздух между горячим и холодным концом цилиндра. Силовой поршень на открытом конце цилиндра приводит в движение маховик.

А двигатель Стирлинга это Тепловой двигатель который приводится в действие за счет циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа ( рабочая жидкость ) при разных температурах, что приводит к чистой конверсии высокая температура энергия в механический работай.^[1][2] Более конкретно, двигатель Стирлинга представляет собой регенеративный тепловой двигатель замкнутого цикла с постоянным газообразный рабочая жидкость. Замкнутый циклв данном контексте означает термодинамическая система в котором рабочая жидкость постоянно содержится в системе, и регенеративный описывает использование определенного типа внутреннего теплообменник и термальный магазин, известный как регенератор. Строго говоря, включение регенератора - это то, что отличает двигатель Стирлинга от других двигателей с замкнутым циклом. двигатели горячего воздуха.^[3]

Первоначально задумана в 1816 году.^[4] как промышленный двигатель, чтобы соперничать с паровой двигатель, его практическое использование в основном ограничивалось бытовыми приложениями с низким энергопотреблением более века.^[5]

История

Ранние двигатели горячего воздуха

Роберт Стирлинг считается одним из отцов двигателей горячего воздуха, несмотря на некоторые более ранние предшественники, в частности Амонтоны,^[6] которому удалось построить в 1816 году первый действующий двигатель горячего воздуха.^{[нужна цитата ]}

Позже за Стирлингом последовал Кэли.^[7] Этот тип двигателя был из тех, в которых огонь был закрыт и питался воздухом, закачиваемым под решеткой в ​​количестве, достаточном для поддержания горения, в то время как самая большая часть воздуха поступала над огнем, чтобы нагреваться и расширяться; все вместе с продуктами сгорания затем воздействует на поршень и проходит через рабочий цилиндр; и операция представляет собой только простую смесь, поверхность нагрева металла не требуется, воздух, который необходимо нагреть, приводится в непосредственный контакт с огнем.^{[нужна цитата ]}

Стирлинг изобрел первый воздушный двигатель в 1816 году.^[8] Принцип действия воздушного двигателя Стирлинга отличается от принципа работы сэра Джорджа Кэли (1807 г.), в котором воздух проходит через печь и выпускается, тогда как в двигателе Стирлинга воздух работает по замкнутому контуру. Именно ей изобретатель уделял больше всего внимания.^{[нужна цитата ]}

Двигатель мощностью 2 лошадиных силы (1,5 кВт), построенный в 1818 году для откачки воды в карьере Эйршира, продолжал работать некоторое время, пока неосторожный помощник не позволил обогревателю перегреться. Этот эксперимент доказал изобретателю, что из-за доступного низкого рабочего давления двигатель может быть адаптирован только для малых мощностей, на которые в то время не было спроса.^{[нужна цитата ]}

Патент Стирлинга 1816 г.^[9] также был про «экономайзер», который является предшественником регенератора. В этом патенте (№4081) он описывает технологию «экономайзера» и несколько приложений, в которых такая технология может быть использована. Из них вышло новое устройство для двигателя горячего воздуха.^{[нужна цитата ]}

В 1818 году был построен один двигатель для откачки воды из карьера в Эйршире, но из-за технических проблем двигатель на время был заброшен.^{[нужна цитата ]}

Стирлинг запатентовал второй двигатель горячего воздуха вместе со своим братом Джеймсом в 1827 году.^[10] Они изменили конструкцию так, чтобы горячие концы вытеснителей находились под оборудованием, и добавили насос сжатого воздуха, чтобы давление воздуха внутри могло быть увеличено примерно до 20 стандартных атмосфер (2000 кПа).^{[нужна цитата ]}

За двумя братьями Стирлингом вскоре последовали Паркинсон и Кроссли (1828 г.).^[11] и Арнотт^[12] в 1829 г.^{[нужна цитата ]}

Эти предшественники, которым Эрикссон^[13] Следует добавить, что они принесли миру технологию двигателей горячего воздуха и их огромные преимущества перед паровыми двигателями. У каждого из них была своя собственная технология, и хотя двигатель Стирлинга и двигатели Паркинсона и Кроссли были очень похожи, Роберт Стирлинг отличился, изобретая регенератор.^{[нужна цитата ]}

Паркинсон и Кросли ввели принцип использования воздуха большей плотности, чем плотность атмосферы, и таким образом получили двигатель большей мощности в том же компасе. Джеймс Стирлинг последовал той же идее, когда построил знаменитый двигатель Данди.^[14]

Патент Стирлинга 1827 года лег в основу третьего патента Стирлинга 1840 года.^[15] Изменения по сравнению с патентом 1827 года были незначительными, но существенными, и этот третий патент привел к созданию двигателя Данди.^[16]

Джеймс Стирлинг представил свой двигатель Институту инженеров-строителей в 1845 году.^[17] Первый двигатель такого типа, который после различных модификаций был эффективно сконструирован и подогрет, имел цилиндр диаметром 30 сантиметров (12 дюймов), с длиной хода 60 сантиметров (2 фута) и совершал 40 ходов или оборотов. в минуту (40 об / мин). Этот двигатель перемещал все оборудование на заводах Dundee Foundry Company в течение восьми или десяти месяцев, и ранее было обнаружено, что он способен поднимать 320 000 кг (700 000 фунтов) 60 см (2 фута) за минуту, мощность приблизительно 16 киловатт (21 лошадиная сила). ).^{[нужна цитата ]}

Обнаружив, что этой мощности недостаточно для своих работ, Dundee Foundry Company построила второй двигатель с цилиндром диаметром 40 сантиметров (16 дюймов), ходом 1,2 метра (4 фута) и совершением 28 ходов в минуту. Когда этот двигатель проработал в непрерывном режиме более двух лет, он не только наиболее удовлетворительно выполнял работу литейного цеха, но и был испытан (с помощью фрикционного тормоза на третьем двигателе) до степени подъема почти 687 тонны (1,500,000 фунты ) мощностью около 34 киловатт (45 лошадиных сил).^{[нужна цитата ]}

Это дает потребление 1,2 килограмма (2,7 фунта) на каждую лошадиную силу в час; но когда двигатель не был полностью нагружен, потребление было значительно ниже 1,1 килограмма (2,5 фунта) на одну лошадиную силу в час. Эти характеристики были на уровне лучших паровых машин, КПД которых составлял около 10%. После Джеймса Стирлинга такая эффективность была возможна только благодаря использованию экономайзера (или регенератора).^{[нужна цитата ]}

Изобретение и раннее развитие

Иллюстрация из заявки Роберта Стирлинга 1816 года на конструкцию воздушного двигателя, который позже стал известен как двигатель Стирлинга.

Двигатель Стирлинга (или воздушный двигатель Стирлинга, как он был известен в то время) был изобретен и запатентован в 1816 году.^[18] Это последовало более ранние попытки создания воздушного двигателя но, вероятно, впервые был применен на практике, когда в 1818 году двигатель, построенный Стирлингом, использовался для перекачивания воды в карьер.^[19] Основным предметом первоначального патента Стирлинга был теплообменник, который он назвал "экономайзер "для повышения экономии топлива в различных областях применения. В патенте также подробно описывается использование одной из форм экономайзера в его уникальном замкнутом цикле. воздушный двигатель дизайн^[20] в каком приложении он теперь известен как "регенератор ". Последующая разработка Робертом Стирлингом и его братом. Джеймс, инженером, в результате были получены патенты на различные улучшенные конфигурации исходного двигателя, включая систему наддува, которая к 1843 году имела достаточно увеличенную выходную мощность, чтобы приводить в движение все механизмы на Данди чугунолитейный завод.^[21]

Хотя это оспаривается,^[22] широко считается, что целью изобретателя была не только экономия топлива, но и создание более безопасной альтернативы Паровые двигатели времени,^[23] чей котлы часто взрывались, что приводило к многочисленным травмам и гибели людей.^[24][25]

Необходимость в двигателях Стирлинга работать при очень высоких температурах для максимальной мощности и эффективности выявила ограничения в материалах того времени, и несколько двигателей, построенных в те первые годы, терпели неприемлемо частые отказы (хотя и с гораздо менее катастрофическими последствиями, чем взрывы котлов). ).^[26] Например, литейный двигатель Данди был заменен паровым после трех отказов горячего цилиндра за четыре года.^[27]

Позже девятнадцатого века

Типичный водяной насос конца девятнадцатого - начала двадцатого века. Компания Rider-Ericsson Engine.

После замены литейного двигателя в Данди нет никаких свидетельств того, что братья Стирлинг в дальнейшем участвовали в разработке пневматических двигателей, а двигатель Стирлинга больше никогда не конкурировал с паром в качестве источника энергии в промышленных масштабах. (Паровые котлы становились безопаснее^[28] паровые машины более эффективны, что делает их менее мишенью для конкурирующих первичных двигателей). Однако, начиная примерно с 1860 года, меньшие двигатели типа Стирлинга / горячего воздуха производились в значительном количестве для приложений, в которых требовались надежные источники малой и средней мощности, такие как перекачивание воздуха для церковных органов или подъем воды.^[29] Эти двигатели меньшего размера обычно работали при более низких температурах, чтобы не облагать налогом доступные материалы, и поэтому были относительно неэффективными. Их аргумент заключался в том, что в отличие от паровых двигателей, ими мог безопасно управлять любой, кто способен справиться с пожаром.^[30] Несколько типов оставались в производстве после конца века, но, за исключением нескольких незначительных механических усовершенствований, конструкция двигателя Стирлинга в целом в этот период оставалась неизменной.^[31]

Возрождение 20 века

В начале 20 века двигатель Стирлинга играл роль «отечественного двигателя».^[32] постепенно был захвачен электродвигатели и маленький двигатель внутреннего сгорания. К концу 1930-х годов о нем почти забыли, производили только игрушки и несколько маленьких вентиляторов.^[33]

Примерно в то время Philips стремилась расширить продажи своих радиоприемников в тех частях мира, где электросеть и батареи не всегда были доступны. Руководство Philips решило, что предложение портативного генератора малой мощности будет способствовать таким продажам, и обратилось к группе инженеров из исследовательской лаборатории компании в г. Эйндховен оценить альтернативные способы достижения этой цели. После систематического сравнения различных первичные двигатели, команда решила продолжить работу с двигателем Стирлинга, сославшись на его тихую работу (как на слух, так и с точки зрения радиопомех) и способность работать от различных источников тепла (обычное ламповое масло - «дешевое и доступное везде» - было одобрено ).^[34] Они также знали, что, в отличие от паровых двигателей и двигателей внутреннего сгорания, в течение многих лет практически не проводились серьезные опытно-конструкторские работы над двигателем Стирлинга, и утверждали, что современные материалы и ноу-хау должны способствовать значительным улучшениям.^[35]

Генератор Стирлинга Philips MP1002CA 1951 года.

К 1951 году генераторная установка мощностью 180/200 Вт, получившая обозначение MP1002CA (известная как «Комплект бунгало»), была готова к производству, и была запланирована первая партия в 250 штук, но вскоре стало ясно, что они не могут быть произведены по конкурентоспособной цене. Кроме того, появление транзисторных радиоприемников и их гораздо более низкое энергопотребление означало, что первоначальное обоснование для этого набора исчезло. В итоге было произведено около 150 таких наборов.^[36] Некоторые поступили на инженерные факультеты университетов и колледжей по всему миру.^[37] дать поколениям студентов ценное введение в двигатель Стирлинга.^{[нужна цитата ]}

Параллельно с комплектом Bungalow компания Philips разработала экспериментальные двигатели Стирлинга для самых разных применений и продолжала работать в этой области до конца 1970-х годов, но достигла коммерческого успеха только с «реверсивным двигателем Стирлинга». криокулер. Однако они зарегистрировали большое количество патентов и собрали огромное количество информации, которую они передали по лицензии другим компаниям и которая легла в основу большей части разработок в современную эпоху.^[38]

В 1996 году шведский флот сдал в эксплуатацию три Подводные лодки типа "Готланд". На поверхности эти лодки приводятся в движение судовыми дизельными двигателями. Однако, когда они погружены в воду, они используют генератор Стирлинга, разработанный шведским судостроителем. Kockums для подзарядки аккумуляторов и подачи электроэнергии для движения.^[39] Подача жидкого кислорода осуществляется для поддержки сжигания дизельного топлива для питания двигателя. Двигатели Стирлинга также устанавливаются на шведские Подводные лодки типа Södermanland, то Подводные лодки класса лучник находится на вооружении в Сингапуре и построено по лицензии Kawasaki Heavy Industries для японцев Подводные лодки класса Сёрю. В подводной лодке двигатель Стирлинга имеет то преимущество, что он работает исключительно тихо.^{[нужна цитата ]}

Основной компонент микрокомбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ) агрегаты могут быть образованы двигателем цикла Стирлинга, поскольку они более эффективны и безопасны, чем сопоставимый паровой двигатель. К 2003 году блоки ТЭЦ коммерчески устанавливались в домашних хозяйствах.^[40]

На рубеже 21-го века двигатели Стирлинга использовались в версии тарелки Концентрированная солнечная энергия системы. Зеркальная тарелка, похожая на очень большую спутниковую тарелку, направляет и концентрирует солнечный свет на тепловом приемнике, который поглощает и собирает тепло и с помощью жидкости передает его в двигатель Стирлинга. Полученная механическая энергия затем используется для запуска генератора или генератора переменного тока для производства электроэнергии.^[41]

В 2013 году была опубликована статья о законы масштабирования свободнопоршневых двигателей Стирлинга на основе шести характеристических безразмерные группы.^[42]

Название и классификация

Двигатель Стирлинга работает.

Роберт Стирлинг запатентовал первый практический пример замкнутого цикла воздушный двигатель в 1816 г., и это было предложено Флиминг Дженкин еще в 1884 году все такие двигатели, следовательно, в общем должны называться двигателями Стирлинга. Это предложение по названию не нашло особой поддержки, и различные типы, представленные на рынке, продолжали быть известны по именам их отдельных конструкторов или производителей, например, двигатель Райдера, Робинсона или (горячий) воздушный двигатель Хейнрици. В 1940-х годах Philips Компания искала подходящее название для своей собственной версии «воздушного двигателя», который к тому времени испытывался с рабочими жидкостями, отличными от воздуха, и в апреле 1945 года остановилась на «двигателе Стирлинга».^[43] Однако почти тридцать лет спустя Грэм Уокер все еще имел повод оплакивать такие термины, как двигатель горячего воздуха остался взаимозаменяемым с двигатель Стирлинга, которое само по себе применялось широко и неизбирательно,^[44] ситуация, которая продолжается.^[45]

Как и паровой двигатель, двигатель Стирлинга традиционно классифицируется как двигатель внешнего сгорания, поскольку вся теплопередача к рабочему телу и от него происходит через твердую границу (теплообменник), таким образом изолируя процесс сгорания и любые загрязнения, которые он может выделять из рабочих частей двигателя. Это контрастирует с двигатель внутреннего сгорания где подвод тепла происходит за счет сгорания топлива в теле рабочего тела. Большинство из множества возможных реализаций двигателя Стирлинга попадают в категорию поршневой двигатель с возвратно-поступательным движением.^{[нужна цитата ]}

А двигатель Стирлинга^[3] это Тепловой двигатель который работает путем циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа ( рабочая жидкость ) при разных температурах, так что чистая конверсия высокая температура энергия в механический работай.^[1][2] В частности, двигатель Стирлинга - это регенеративный тепловой двигатель замкнутого цикла с постоянно газообразный рабочая жидкость. Замкнутый циклв данном контексте означает термодинамическая система в котором рабочая жидкость постоянно содержится в системе, и регенеративный описывает использование определенного типа внутреннего теплообменник и термальный магазин, известный как регенератор. Строго говоря, включение регенератора - это то, что отличает двигатель Стирлинга от других двигателей с замкнутым циклом. двигатели горячего воздуха.^[46]

Двигатели Стирлинга по определению не могут достичь полного КПД, типичного для двигатель внутреннего сгорания, основным ограничением является тепловая эффективность. Во время внутреннего сгорания температуры достигают примерно 1500–1600 ° C в течение короткого периода времени, что приводит к более высокой средней температуре подачи тепла в термодинамическом цикле, чем может достичь любой двигатель Стирлинга. Невозможно подавать тепло при таких высоких температурах за счет теплопроводности, как это делается в двигателях Стирлинга, потому что ни один материал не может проводить тепло от сгорания при такой высокой температуре без огромных потерь тепла и проблем, связанных с тепловой деформацией материалов. Двигатели Стирлинга работают бесшумно и могут использовать практически любой источник тепла. Источник тепловой энергии вырабатывается вне двигателя Стирлинга, а не за счет внутреннего сгорания, как в Цикл Отто или же Дизельный цикл двигатели. Поскольку двигатель Стирлинга совместим с альтернативными и возобновляемыми источниками энергии, он может стать все более значимым по мере роста цен на обычное топливо, а также в свете таких проблем, как истощение запасов нефти и изменение климата. Этот тип двигателя в настоящее время вызывает интерес как основной компонент микрокомбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ), в которых он более эффективен и безопасен, чем сопоставимая паровая машина.^[47][48] Однако у него низкий удельная мощность,^[49] что делает его более подходящим для использования в статических установках, где не важны пространство и вес.^{[нужна цитата ]}

Функциональное описание

Двигатель сконструирован таким образом, что рабочий газ обычно сжимается в более холодной части двигателя и расширяется в более горячей части, что приводит к чистому преобразованию тепла в работай.^[2] Внутренний регенеративный теплообменник увеличивает тепловой КПД двигателя Стирлинга по сравнению с более простым двигатели горячего воздуха не хватает этой функции.

Ключевые компоненты

Схема в разрезе ромбический привод бета-конфигурация двигателя Стирлинга:   Стенка горячего цилиндра   Стенка холодного цилиндра   Впускные и выпускные трубы охлаждающей жидкости   Теплоизоляция, разделяющая два конца цилиндра   Вытеснитель поршень   Силовой поршень   Кривошип и маховики Не показано: источник тепла и радиаторы. В этой конструкции поршень буйка сконструирован без специального регенератор.

Вследствие работы в замкнутом цикле тепло, приводящее в действие двигатель Стирлинга, должно передаваться от источника тепла к рабочему телу посредством теплообменники и, наконец, радиатор. Система двигателя Стирлинга имеет по крайней мере один источник тепла, один радиатор и до пяти теплообменников. Некоторые типы могут сочетать или обходиться без некоторых из них.^{[нужна цитата ]}

Источник тепла

Параболическое зеркало с точечной фокусировкой с двигателем Стирлинга в центре и солнечный трекер в Plataforma Solar de Almería (PSA) в Испании.

Блюдо Стирлинг от СЭС.

Источником тепла может служить горение топлива, и, поскольку продукты сгорания не смешиваются с рабочей жидкостью и, следовательно, не вступают в контакт с внутренними частями двигателя, двигатель Стирлинга может работать на топливе, которое может повредить внутренние устройства других типов двигателей, такие как свалочный газ, который может содержать силоксан который может осаждать абразив диоксид кремния в обычных двигателях.^[50]

Другие подходящие источники тепла включают: концентрированная солнечная энергия, геотермальная энергия, ядерная энергия, отходящее тепло и биоэнергетика. Если в качестве источника тепла используется солнечная энергия, солнечные зеркала и солнечные тарелки могут быть использованы. Использование Линзы Френеля и зеркала также пропагандировались, например, при исследовании поверхности планет.^[51] Двигатели Стирлинга, работающие на солнечной энергии, становятся все более популярными, поскольку они предлагают экологически безопасный вариант производства электроэнергии, а некоторые конструкции экономически привлекательны для проектов развития.^[52]

Нагреватель / теплообменник горячей стороны

В небольших двигателях малой мощности он может просто состоять из стенок горячего пространства (а), но там, где требуется большая мощность, требуется большая площадь поверхности для передачи достаточного количества тепла. Типичными вариантами реализации являются внутренние и внешние ребра или несколько труб малого диаметра.^{[нужна цитата ]}

При разработке теплообменников двигателя Стирлинга достигается баланс между высокой теплоотдачей и низкой вязкий насосные потери, и малое мертвое пространство (внутренний объем без очистки). Двигатели, работающие при высоких мощностях и давлениях, требуют, чтобы теплообменники на горячей стороне были изготовлены из сплавов, которые сохраняют значительную прочность при высоких температурах и не подвержены коррозии или коррозии. слизняк.^{[нужна цитата ]}

Регенератор

В двигателе Стирлинга регенератор представляет собой внутренний теплообменник и временный накопитель тепла, расположенный между горячим и холодным пространством, так что рабочая жидкость проходит через него сначала в одном направлении, затем в другом, забирая тепло от жидкости в одном направлении и возвращаясь. это в другом. Он может быть таким же простым, как металлическая сетка или пенопласт, и имеет большую площадь поверхности, высокую теплоемкость, низкую проводимость и низкое трение потока.^[53] Его функция - удерживать в система это тепло, которое в противном случае передавалось бы с окружающей средой при температурах, промежуточных между максимальной и минимальной температурами цикла,^[54] таким образом обеспечивая тепловой КПД цикла (но не любого практичного двигателя^[55]) приблизиться к предельному Карно эффективность.^{[нужна цитата ]}

Первичный эффект регенерации в двигателе Стирлинга состоит в повышении теплового КПД за счет «рециркуляции» внутреннего тепла, которое в противном случае проходило бы через двигатель. необратимо. В качестве вторичного эффекта повышенный термический КПД приводит к более высокой выходной мощности от данного набора теплообменников горячего и холодного конца. Обычно они ограничивают тепловыделение двигателя. На практике эта дополнительная мощность не может быть полностью реализована, поскольку дополнительное «мертвое пространство» (непромокаемый объем) и насосные потери, присущие практическим регенераторам, уменьшают потенциальный выигрыш в эффективности от регенерации.^{[нужна цитата ]}

Задача конструкции регенератора двигателя Стирлинга состоит в том, чтобы обеспечить достаточную теплопередающую способность без введения слишком большого дополнительного внутреннего объема («мертвого пространства») или сопротивления потоку. Эти врожденные конфликты конструкции являются одним из многих факторов, ограничивающих эффективность практических двигателей Стирлинга. Типичная конструкция - стопка тонкого металла. провод сетки, с низким пористость для уменьшения мертвого пространства, а с проволочными осями перпендикуляр к потоку газа, чтобы уменьшить проводимость в этом направлении и максимизировать конвективную теплопередачу.^[56]

Регенератор - ключевой компонент, изобретенный Роберт Стирлинг и его наличие отличает настоящий двигатель Стирлинга от любого другого двигателя с замкнутым циклом. двигатель горячего воздуха. Многие небольшие «игрушечные» двигатели Стирлинга, особенно типы с низкотемпературным перепадом (LTD), не имеют отдельного компонента регенератора и могут считаться двигателями горячего воздуха; однако небольшая регенерация обеспечивается за счет поверхности самого вытеснителя и ближайшей стенки цилиндра или, аналогично, канала, соединяющего горячий и холодный цилиндры двигателя с альфа-конфигурацией.^{[нужна цитата ]}

Теплообменник охладитель / холодная сторона

В небольших двигателях малой мощности он может просто состоять из стенок холодного пространства (а), но там, где требуется большая мощность, необходим охладитель, использующий жидкость, подобную воде, для передачи достаточного количества тепла.^{[нужна цитата ]}

Радиатор

Чем больше разница температур между горячей и холодной секциями двигателя Стирлинга, тем выше эффективность двигателя. Радиатор обычно представляет собой среду, в которой работает двигатель, при температуре окружающей среды. В случае двигателей средней и большой мощности радиатор требуется для передачи тепла от двигателя в окружающий воздух. Преимущество судовых двигателей заключается в использовании прохладной морской, озерной или речной воды, которая обычно холоднее, чем окружающий воздух. В случае комбинированных теплоэнергетических систем охлаждающая вода двигателя прямо или косвенно используется для отопления, повышая эффективность.^{[нужна цитата ]}

В качестве альтернативы, тепло может подаваться при температуре окружающей среды, а теплоотвод поддерживается при более низкой температуре с помощью таких средств, как криогенная жидкость (видеть Экономия жидкого азота ) или ледяной водой.^{[нужна цитата ]}

Вытеснитель

Вытеснитель специального назначения поршень, используется в двигателях Стирлинга типа Beta и Gamma для перемещения рабочего газа вперед и назад между горячим и холодным теплообменниками. В зависимости от типа конструкции двигателя буйковый уровнемер может быть или не быть прилегающим к цилиндру; то есть, это может быть неплотная посадка внутри цилиндра, позволяющая рабочему газу проходить вокруг него, когда он движется, чтобы занять часть цилиндра за его пределами. Двигатель типа Alpha имеет высокую нагрузку на горячую сторону, поэтому так мало изобретателей начали использовать гибридный поршень для этой стороны. Гибридный поршень имеет герметичную часть, как и обычный двигатель типа Alpha, но он имеет присоединенную часть буйка с меньшим диаметром, чем цилиндр вокруг него. Степень сжатия немного меньше, чем в оригинальных двигателях типа Alpha, но коэффициент нагрузки на герметичные детали довольно низкий.^{[нужна цитата ]}

Конфигурации

Три основных типа двигателей Стирлинга различаются по способу перемещения воздуха между горячей и холодной зонами:^{[нужна цитата ]}

1. В альфа конфигурация имеет два силовых поршня, один в горячем цилиндре, другой в холодном цилиндре, и газ перемещается между двумя поршнями; Обычно он имеет V-образную форму с поршнями, соединенными в одной и той же точке на коленчатом валу.
2. В бета Конфигурация имеет один цилиндр с горячим концом и холодным концом, содержащий силовой поршень и «вытеснитель», который перемещает газ между горячим и холодным концом. Обычно он используется с ромбический привод для достижения разности фаз между буйком и силовыми поршнями, но они могут быть соединены на 90 градусов не по фазе на коленчатом валу.
3. В гамма конфигурация имеет два цилиндра: один содержит вытеснитель, с горячим и холодным концом, и один для силового поршня; они соединены в единое пространство, поэтому в цилиндрах одинаковое давление; поршни обычно параллельны и соединены на 90 градусов на коленчатом валу не по фазе.

Операция альфа-конфигурации

An альфа Стирлинг содержит два силовых поршня в отдельных цилиндрах, один горячий и один холодный. Горячий цилиндр расположен внутри высокотемпературного теплообменник а холодный цилиндр расположен внутри низкотемпературного теплообменника. Этот тип двигателя имеет высокое отношение мощности к объему, но имеет технические проблемы из-за обычно высокой температуры горячего поршня и долговечности его уплотнений.^[57] На практике этот поршень обычно имеет большую изолирующую головку для отвода уплотнений от горячей зоны за счет некоторого дополнительного мертвого пространства. Угол поворота коленчатого вала имеет большое влияние на эффективность, и лучший угол часто должен быть найден экспериментально. Угол 90 ° часто блокируется.^{[нужна цитата ]}

На следующих схемах не показаны внутренние теплообменники в пространствах сжатия и расширения, которые необходимы для выработки энергии. А регенератор будет помещен в трубу, соединяющую два цилиндра.^{[нужна цитата ]}

1. Большая часть рабочего газа находится в горячем цилиндре и больше контактирует со стенками горячего цилиндра. Это приводит к общему нагреву газа. Его давление увеличивается, и газ расширяется. Поскольку горячий цилиндр имеет максимальный объем, а холодный цилиндр находится в верхней части своего хода (минимальный объем), объем системы увеличивается за счет расширения в холодный цилиндр.	2. Система находится в максимальном объеме, и газ больше контактирует с холодным цилиндром. Это охлаждает газ, понижая его давление.Из-за импульса маховика или других пар поршней на одном валу горячий цилиндр начинает движение вверх, уменьшая объем системы.
3. Теперь почти весь газ находится в холодном баллоне, и охлаждение продолжается. Это продолжает снижать давление газа и вызывать сжатие. Поскольку горячий цилиндр имеет минимальный объем, а холодный цилиндр имеет максимальный объем, объем системы дополнительно уменьшается за счет сжатия холодного цилиндра внутрь.	4. Система имеет минимальный объем, и газ имеет больший контакт с горячим цилиндром. Объем системы увеличивается за счет расширения горячего цилиндра.
Полный цикл Стирлинга альфа-типа. Обратите внимание, что если применение тепла и холода меняется на противоположное, двигатель работает в обратном направлении без каких-либо других изменений.

Операция бета-конфигурации

А бета Стирлинга имеет один силовой поршень, расположенный в том же цилиндре на том же валу, что и вытеснитель поршень. Поршень буйка имеет неплотную посадку и не извлекает энергию из расширяющегося газа, а только служит для перемещения рабочего газа между горячим и холодным теплообменниками. Когда рабочий газ проталкивается к горячему концу цилиндра, он расширяется и толкает силовой поршень. Когда его толкают к холодному концу цилиндра, он сжимается, и импульс машины, как правило, увеличивается за счет маховик, толкает силовой поршень в другую сторону для сжатия газа. В отличие от альфа-типа, бета-тип позволяет избежать технических проблем, связанных с горячим движением уплотнений, поскольку силовой поршень не контактирует с горячим газом.^[58]

Опять же, на следующих схемах не показаны какие-либо внутренние теплообменники или регенератор, которые можно было бы разместить в газовом тракте вокруг вытеснителя. Если в бета-двигателе используется регенератор, он обычно находится в положении буйка и движется, часто в виде проволочной сетки.^{[нужна цитата ]}

1. Силовой поршень (темно-серый) сжал газ, поршень буйка (светло-серый) переместился так, что большая часть газа прилегает к горячему теплообменнику.	2. Давление нагретого газа увеличивается и толкает силовой поршень к самому дальнему пределу рабочий ход.	3. Теперь поршень буйка перемещается, направляя газ к холодному концу цилиндра.	4. Охлажденный газ теперь сжимается движением маховика. Это требует меньше энергии, так как его давление падает при охлаждении.
Полный цикл Стирлинга бета-типа

Операция настройки гаммы

А гамма Стирлинга это просто бета-версия Стирлинга с силовым поршнем, установленным в отдельном цилиндре рядом с поршневым цилиндром буйка, но все же подключенным к тому же маховику. Газ в двух цилиндрах может свободно течь между ними и оставаться единым корпусом. Эта конфигурация дает более низкий коэффициент сжатия из-за объема соединения между ними, но механически проще и часто используется в многоцилиндровых двигателях Стирлинга.^{[нужна цитата ]}

Другие типы

Другие конфигурации Стирлинга продолжают интересовать инженеров и изобретателей.^{[нужна цитата ]}

В роторный Стирлинг двигатель стремится преобразовать мощность из цикла Стирлинга непосредственно в крутящий момент, аналогично роторный двигатель внутреннего сгорания. Практический двигатель еще не построен, но был выпущен ряд концепций, моделей и патентов, таких как Квазитурбинный двигатель.^[59]

Гибрид поршневой и роторной конфигурации - это двигатель двойного действия. Эта конструкция вращает вытеснители по обе стороны от силового поршня. В дополнение к большой вариативности конструкции в области теплопередачи такая компоновка исключает все, кроме одного внешнего уплотнения на выходном валу и одного внутреннего уплотнения на поршне. Кроме того, обе стороны могут находиться под высоким давлением, поскольку они уравновешивают друг друга.^{[нужна цитата ]}

Вид сверху на два вращающихся буйка, приводящих в действие горизонтальный поршень. Регенераторы и радиатор сняты для наглядности.

Другой альтернативой является Двигатель Fluidyne (Тепловой насос Fluidyne), который использует гидравлические поршни для реализации Цикл Стирлинга. Работа произведена Двигатель Fluidyne переходит в перекачку жидкости. В простейшем виде двигатель содержит рабочий газ, жидкость и два обратных клапана.^{[нужна цитата ]}

В Двигатель кольцевой бомбы концепция, опубликованная в 1907 году, не имеет поворотного механизма или рычажного механизма для вытеснителя. Вместо этого он приводится в движение небольшим вспомогательным поршнем, обычно толстым стержнем буйка, с ограничением движения ограничителями.^[60][61]

В двухцилиндровый Стирлинг с вилкой Росс представляет собой двухцилиндровый двигатель Стирлинга (расположенный под углом 0 °, а не 90 °), соединенный с помощью специальной вилки. Конфигурация двигателя / установка ярма были изобретены Энди Росс.^[62]

В Franchot двигатель двигатель двойного действия, изобретенный Шарль-Луи-Феликс Франшо В девятнадцатом веке. В двигателе двойного действия давление рабочей жидкости действует на обе стороны поршня. Одна из самых простых форм машины двойного действия, двигатель Franchot состоит из двух поршней и двух цилиндров и действует как две отдельные альфа-машины. В двигателе Franchot каждый поршень действует в двух газовых фазах, что позволяет более эффективно использовать механические компоненты, чем в альфа-машине одностороннего действия. Однако недостатком этой машины является то, что один шатун должен иметь скользящее уплотнение на горячей стороне двигателя, что затруднительно при работе с высокими давлениями и температурами.^[63]

Свободнопоршневые двигатели Стирлинга

Различные конфигурации Стирлинга со свободным поршнем ... F. «Свободный цилиндр», G. Fluidyne, H. «Двустороннее действие» Стирлинга (обычно 4 цилиндра).

Свободнопоршневой Стирлинг двигатели включают те, у которых жидкостные поршни и с диафрагмами в качестве поршней. В устройстве со свободным поршнем энергия может добавляться или сниматься с помощью электрического линейный генератор, насос или другое коаксиальное устройство. Это устраняет необходимость в рычажном механизме и уменьшает количество движущихся частей. В некоторых конструкциях трение и износ практически исключаются за счет использования бесконтактных газовые подшипники или очень точная подвеска за счет планарного пружины.^{[нужна цитата ]}

Четыре основных шага в цикле свободный поршень Двигатель Стирлинга бывают:^{[нужна цитата ]}

1. Силовой поршень выталкивается расширяющимся газом, выполняя свою работу. Гравитация не играет роли в круговороте.
2. Объем газа в двигателе увеличивается и, следовательно, давление снижается, что вызывает перепад давления на стержне буйка, заставляя его двигаться к горячему концу. Когда вытеснитель движется, поршень почти неподвижен, и поэтому объем газа почти постоянен. Этот шаг приводит к процессу охлаждения постоянного объема, что снижает давление газа.
3. Пониженное давление теперь останавливает движение поршня наружу, и он снова начинает ускоряться к горячему концу и по своей собственной инерции сжимает теперь холодный газ, который в основном находится в холодном пространстве.
4. По мере увеличения давления достигается точка, в которой перепад давления на стержне буйка становится достаточно большим, чтобы начать толкать шток буйка (а, следовательно, и буйковый уровнемер) к поршню и, тем самым, сжимать холодное пространство и передавать холодный сжатый газ. к горячей стороне в процессе почти постоянного объема. Когда газ поступает на горячую сторону, давление увеличивается и начинает перемещать поршень наружу, чтобы инициировать стадию расширения, как объяснено в (1).

В начале 1960-х гг. Уильям Т. Бил из Университет Огайо изобрел свободнопоршневую версию двигателя Стирлинга, чтобы преодолеть трудности со смазкой кривошипно-шатунного механизма.^[64] В то время как изобретение базового двигателя Стирлинга со свободным поршнем обычно приписывается Билу, независимые изобретения аналогичных типов двигателей были сделаны E.H. Кук-Ярборо и К. Уэст из Харвеллских лабораторий UK AERE.^[65] Г. Бенсон также внес важный вклад и запатентовал множество новых конфигураций со свободным поршнем.^[66]

Первое известное упоминание о велосипедной машине Стирлинга, использующей свободно движущиеся компоненты, - это раскрытие британского патента в 1876 году.^[67] Эта машина была задумана как холодильник (т.е. перевернутый Цикл Стирлинга). Первым потребительским продуктом, в котором использовалось устройство Стирлинга со свободным поршнем, был портативный холодильник, изготовленный компанией Twinbird Corporation Японии и предлагается в США Коулман в 2004 г.^{[нужна цитата ]}

Плоский двигатель Стирлинга

В разрезе плоский двигатель Стирлинга: 10 - Горячий цилиндр. 11 - Объем горячего цилиндра. 12 - В объем горячего цилиндра. 17 - Тёплая поршневая диафрагма. 18 - Теплоноситель. 19 - Шток поршня. 20 - Холодный цилиндр. 21 - Объем холодного цилиндра. 22 - B Объем холодного цилиндра. 27 - Диафрагма холодного поршня. 28 - охлаждающая жидкость. 30 - Рабочий цилиндр. 31 - Объем рабочего цилиндра. 32 - В объем рабочего цилиндра. 37 - Рабочая поршневая диафрагма. 41 - Регенератор массы А объема. 42 - Регенератор массы объема Б. 48 - Тепловой аккумулятор. 50 - Теплоизоляция. 60 - Генератор. 63 - Магнитная цепь. 64 - Электрическая обмотка. 70 - Канал, соединяющий теплый и рабочий цилиндры.

Конструкция плоского двигателя Стирлинга двустороннего действия решает проблему привода буйка за счет того, что площади горячего и холодного поршней буйка различны.^{[нужна цитата ]}Привод работает без какой-либо механической трансмиссии.^{[нужна цитата ]}Использование диафрагм устраняет трение и необходимость в смазочных материалах.^{[нужна цитата ]}Когда вытеснитель находится в движении, генератор удерживает рабочий поршень в крайнем положении, что приближает рабочий цикл двигателя к идеальному циклу Стирлинга.^{[нужна цитата ]}Отношение площади теплообменников к объему машины увеличивается за счет реализации плоской конструкции.^{[нужна цитата ]}Плоская конструкция рабочего цилиндра приближает тепловой процесс расширения и сжатия к изотермическому.^{[нужна цитата ]}Недостаток - большая площадь теплоизоляции между горячим и холодным помещениями.^[68]

Термоакустический цикл

Термоакустические устройства сильно отличаются от устройств Стирлинга, хотя индивидуальный путь, пройденный каждой молекулой рабочего газа, действительно соответствует реальному Цикл Стирлинга. Эти устройства включают термоакустический двигатель и термоакустический холодильник. Акустика с высокой амплитудой стоячие волны вызывают сжатие и расширение, аналогично силовому поршню Стирлинга, в то время как акустический бегущие волны вызвать смещение по температуре градиент, аналогичен поршню буйка Стирлинга. Таким образом, термоакустическое устройство обычно не имеет вытеснителя, как у бета- или гамма-излучения Стирлинга.^{[нужна цитата ]}

Прочие разработки

Начиная с 1986 года, Infinia Corporation приступила к разработке как высоконадежных импульсных двигателей Стирлинга со свободным поршнем, так и термоакустических охладителей с использованием соответствующей технологии. Опубликованный дизайн использует изгибные подшипники и герметичные газовые циклы с гелием для достижения проверенной надежности, превышающей 20 лет. По состоянию на 2010 год корпорация получила более 30 патентов и разработала ряд коммерческих продуктов как для комбинированного производства тепла и электроэнергии, так и для солнечной энергетики.^[69] Согласно пресс-релизу от сентября 2013 года, Infinia объявила о банкротстве.^[70]

В последнее время^{[когда? ]}, НАСА рассмотрел двигатели Стирлинга с подогревом от ядерного распада для расширенных миссий во внешние области Солнечной системы.^[71] В 2018 году НАСА и Министерство энергетики США объявили об успешном испытании ядерного реактора нового типа под названием КРАСТИ, что расшифровывается как «реактор киловысокой мощности, использующий технологию Стирлинга», и который предназначен для питания космических аппаратов и зондов, а также экзопланетных лагерей.^[72]В 2012 году на выставке Cable-Tec Expo, организованной Обществом инженеров кабельной связи, Дин Камен вместе с техническим директором Time Warner Cable Майком Ладжой выступил с заявлением о новой инициативе между его компанией Deka Research и SCTE. Камен называет его двигателем Стирлинга.^[73][74]

Теория

А график давления / объема идеализированного цикла Стирлинга.

Идеализированный цикл Стирлинга состоит из четырех термодинамические процессы действующие на рабочую жидкость:

1. Изотермический расширение. В пространстве расширения и связанном с ним теплообменнике поддерживается постоянная высокая температура, а газ подвергается почти изотермическому расширению, поглощая тепло от горячего источника.
2. Постоянный объем (известный как изоволюметрический или же изохорный ) теплоотвод. Газ проходит через регенератор, где он охлаждается, передавая тепло регенератору для использования в следующем цикле.
3. Изотермический сжатие. В камере сжатия и соответствующем теплообменнике поддерживается постоянная низкая температура, поэтому газ подвергается почти изотермическому сжатию, отводя тепло в холодный сток.
4. Постоянный объем (известный как изоволюметрический или же изохорный ) Подвод тепла. Газ проходит обратно через регенератор, где он восстанавливает большую часть тепла, переданного в процессе 2, нагреваясь по пути в пространство расширения.

Теоретическая тепловая эффективность равняется гипотетическому Цикл Карно - то есть наивысший КПД, достигаемый любой тепловой машиной. Однако, хотя это полезно для иллюстрации общих принципов, идеальный цикл существенно отличается от практических двигателей Стирлинга.^[75] Утверждалось, что его неизбирательное использование во многих стандартных книгах по инженерной термодинамике оказало медвежью услугу изучению двигателей Стирлинга в целом.^[76][77]

Другие проблемы реального мира снижают эффективность реальных двигателей из-за ограничений конвективный теплообмен и вязкое течение (трение). Существуют также практические, механические соображения: например, простая кинематическая связь может быть предпочтительнее более сложного механизма, необходимого для воспроизведения идеализированного цикла, и ограничений, налагаемых доступными материалами, такими как неидеальный свойства рабочего газа, теплопроводность, предел прочности, слизняк, прочность на разрыв, и температура плавления. Часто возникает вопрос, действительно ли идеальный цикл с изотермическим расширением и сжатием является правильным идеальным циклом для двигателя Стирлинга. Профессор К. Дж. Раллис указал, что очень трудно представить себе какое-либо состояние, при котором пространства расширения и сжатия могут приблизиться изотермический поведение, и гораздо более реалистично представить эти пространства как адиабатический.^[78] Идеальный анализ, в котором пространства расширения и сжатия считаются равными адиабатический с изотермический теплообменники и идеальная регенерация были проанализированы Раллисом и представлены как лучший идеальный критерий для машин Стирлинга. Он назвал этот цикл «псевдо-циклом Стирлинга» или «идеальным адиабатическим циклом Стирлинга». Важным следствием этого идеального цикла является то, что он не предсказывает эффективность Карно. Еще один вывод из этого идеального цикла состоит в том, что максимальная эффективность достигается при более низких степенях сжатия, что характерно для реальных машин. В независимой работе Т. Финкельштейн также предположил адиабатические пространства расширения и сжатия в своем анализе машин Стирлинга.^[79]

Операция

Поскольку двигатель Стирлинга представляет собой замкнутый цикл, он содержит фиксированную массу газа, называемую «рабочей жидкостью», чаще всего воздуха, водород или же гелий. При нормальной работе двигатель герметичен, газ не попадает и не выходит; клапаны не требуются, в отличие от поршневых двигателей других типов. Двигатель Стирлинга, как и большинство тепловых двигателей, проходит четыре основных процесса: охлаждение, сжатие, нагрев и расширение. Это достигается перемещением газа вперед и назад между горячим и холодным. теплообменники, часто с регенератор между нагревателем и охладителем. Горячий теплообменник находится в тепловом контакте с внешним источником тепла, таким как топливная горелка, а холодный теплообменник находится в тепловом контакте с внешним теплоотводом, например с воздушными ребрами. Изменение температуры газа вызывает соответствующее изменение давления газа, а движение поршня заставляет газ попеременно расширяться и сжиматься.^{[нужна цитата ]}

Газ следует поведению, описанному газовые законы которые описывают, как газ давление, температура, и объем относятся к. Когда газ нагревается, давление повышается (потому что он находится в герметичной камере), и это давление затем действует на мощность поршень произвести силовой ход. Когда газ охлаждается, давление падает, и это падение означает, что поршню требуется меньше работы для сжатия газа на обратном ходу. Разница в работе между ходами дает чистую положительную выходную мощность.^{[нужна цитата ]}

Идеальный цикл Стирлинга недостижим в реальном мире, как и любой тепловой двигатель. Эффективность машин Стирлинга также связана с температурой окружающей среды: более высокая эффективность достигается в более прохладную погоду, что делает этот тип двигателя менее привлекательным в местах с более теплым климатом. Как и другие двигатели внешнего сгорания, двигатели Стирлинга могут использовать источники тепла, отличные от сжигания топлива.^{[нужна цитата ]}

Когда одна сторона поршня открыта в атмосферу, работа немного отличается. Когда запечатанный объем рабочего газа входит в контакт с горячей стороной, он расширяется, выполняя работу как с поршнем, так и с атмосферой. Когда рабочий газ контактирует с холодной стороной, его давление падает ниже атмосферного, и атмосфера давит на поршень и воздействует на газ.^{[нужна цитата ]}

Подводя итог, можно сказать, что двигатель Стирлинга использует разницу температур между его горячим концом и холодным концом, чтобы установить цикл с фиксированной массой газа, нагретого и расширяемого, охлажденного и сжатого, таким образом энергия в механическую энергию. Чем больше разница температур между горячим и холодным источниками, тем выше термический КПД. Максимальная теоретическая эффективность эквивалентна эффективности Цикл Карно, но КПД реальных двигателей меньше этого значения из-за трения и других потерь.^{[нужна цитата ]}

Воспроизвести медиа

Видео, показывающее в действии компрессор и вытеснитель очень маленького двигателя Стирлинга.

Созданы очень маломощные двигатели, которые работают при разнице температур всего 0,5 К.^[80] А вытеснительный двигатель Стирлинга имеет один поршень и один вытеснитель. Для работы двигателя требуется разница температур между верхом и низом большого цилиндра. В случае низкотемпературный перепад (LTD), разницы температур между рукой и окружающим воздухом может быть достаточно для запуска двигателя.^[81] Силовой поршень в двигателе Стирлинга буйкового типа плотно закрыт и управляется движением вверх и вниз по мере расширения газа внутри. С другой стороны, вытеснитель установлен очень свободно, так что воздух может свободно перемещаться между горячей и холодной секциями двигателя при движении поршня вверх и вниз. Вытеснитель перемещается вверх и вниз, заставляя большую часть газа в цилиндре буйка либо нагреваться, либо охлаждаться.^{[нужна цитата ]}

Обратите внимание, что в следующем описании цикла источник тепла внизу (двигатель будет работать одинаково хорошо с источником тепла вверху):^{[нужна цитата ]}

1. Когда буйковый уровнемер находится в верхней части большого цилиндра; большая часть газа находится в нижней части, нагревается источником тепла и расширяется. Это увеличивает давление, которое заставляет поршень подниматься, приводя в действие маховик. Затем поворот маховика перемещает буйковый уровнемер вниз.
2. Когда вытеснитель находится рядом с нижней частью большого цилиндра, большая часть газа находится в верхней части и будет охлаждаться и сжиматься, вызывая снижение давления, которое, в свою очередь, перемещает поршень вниз, передавая больше энергии маховику.

Герметизация

В большинстве двигателей Стирлинга большой мощности как минимальное, так и среднее давление рабочего тела выше атмосферного. Это начальное повышение давления в двигателе может быть реализовано с помощью насоса или путем заполнения двигателя из баллона со сжатым газом, или даже просто путем герметизации двигателя, когда средняя температура ниже среднего значения. Рабочая Температура. Все эти методы увеличивают массу рабочего тела в термодинамическом цикле. Все теплообменники должны иметь соответствующий размер, чтобы обеспечивать необходимую скорость теплопередачи. Если теплообменники хорошо спроектированы и могут передавать тепло поток необходим для конвективного теплопередача, то двигатель в первом приближении вырабатывает мощность, пропорциональную среднему давлению, как прогнозируется Западный номер, и Номер Била. На практике максимальное давление также ограничивается безопасным давлением сосуд под давлением. Как и большинство аспектов конструкции двигателя Стирлинга, оптимизация многомерный, и часто имеет противоречивые требования.^[82] Сложность повышения давления заключается в том, что, хотя это улучшает мощность, требуемое тепло увеличивается пропорционально увеличению мощности. Эта теплопередача становится все более трудной при повышении давления, поскольку повышенное давление также требует увеличения толщины стенок двигателя, что, в свою очередь, увеличивает сопротивление теплопередаче.^{[нужна цитата ]}

Смазочные материалы и трение

Современный двигатель Стирлинга и генераторная установка мощностью 55 кВт для комбинированного производства тепла и электроэнергии.

При высоких температурах и давлениях кислород в картерах с воздушным давлением или в рабочем газе двигатели горячего воздуха, может смешаться со смазочным маслом двигателя и взорваться. По крайней мере, один человек погиб в результате такого взрыва.^[83]

Смазочные материалы также могут засорить теплообменники, особенно регенератор. По этим причинам дизайнеры предпочитают не смазываемые, малосмазочныекоэффициент трения материалы (такие как Рулон или же графит ), с низким нормальные силы на движущихся частях, особенно на скользящих уплотнениях. В некоторых конструкциях поверхности скольжения полностью отсутствуют за счет использования диафрагм для герметичных поршней. Это некоторые из факторов, которые позволяют двигателям Стирлинга иметь более низкие требования к техническому обслуживанию и более длительный срок службы, чем двигатели внутреннего сгорания.^{[нужна цитата ]}

Анализ

Сравнение с двигателями внутреннего сгорания

В отличие от двигателей внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга могут использовать возобновляемое тепло Источники проще, тише и надежнее с меньшими затратами на обслуживание. Они предпочтительны для приложений, в которых ценятся эти уникальные преимущества, особенно если стоимость единицы произведенной энергии более важна, чем капитальные затраты на единицу мощности. Исходя из этого, двигатели Стирлинга конкурентоспособны по цене до 100 кВт.^[84]

По сравнению с двигатель внутреннего сгорания той же мощности, двигатели Стирлинга в настоящее время имеют более высокую капитальные затраты и обычно крупнее и тяжелее. Однако они более эффективны, чем большинство двигателей внутреннего сгорания.^[85] Их более низкие требования к обслуживанию делают в целом энергия Стоимость сопоставима. В тепловая эффективность также сопоставимы (для небольших двигателей) в пределах от 15% до 30%.^[84] Для таких приложений, как микро-ТЭЦ, двигатель Стирлинга часто предпочтительнее двигателя внутреннего сгорания. Другие приложения включают перекачка воды, космонавтика и выработка электроэнергии из многочисленных источников энергии, несовместимых с двигателем внутреннего сгорания, таких как солнечная энергия, и биомасса Такие как сельскохозяйственные отходы и другие напрасно тратить например, бытовой мусор. Однако двигатели Стирлинга, как правило, не конкурентоспособны по цене в сравнении с автомобильными двигателями из-за высокой стоимости единицы мощности, низкой удельная мощность, а также высокие материальные затраты.^{[нужна цитата ]}

Базовый анализ основан на анализе Шмидта в закрытой форме.^[86][87]

Преимущества

• Двигатели Стирлинга могут работать напрямую от любого доступного источника тепла, а не только от источника, производимого сгоранием, поэтому они могут работать на тепле от солнечных, геотермальных, биологических, ядерных источников или от отработанного тепла промышленных процессов.
• Процесс непрерывного сгорания может использоваться для подачи тепла, поэтому выбросы, связанные с процессами прерывистого сгорания поршневого двигателя внутреннего сгорания, могут быть уменьшены.
• Некоторые типы двигателей Стирлинга имеют подшипники и уплотнения на холодной стороне двигателя, где они требуют меньше смазки и служат дольше, чем эквиваленты на других типах поршневых двигателей.
• Механизмы двигателя в некотором смысле проще, чем другие типы поршневых двигателей. Никаких клапанов не требуется, и система горелки может быть относительно простой. Неочищенные двигатели Стирлинга могут быть изготовлены из обычных бытовых материалов.^[88]
• В двигателе Стирлинга используется однофазная рабочая жидкость, которая поддерживает внутреннее давление, близкое к расчетному, и, таким образом, для правильно спроектированной системы риск взрыва невелик. Для сравнения, паровой двигатель использует двухфазную рабочую жидкость газ / жидкость, поэтому неисправный предохранительный клапан избыточного давления может вызвать взрыв.
• В некоторых случаях низкое рабочее давление позволяет использовать легкие баллоны.
• Их можно сконструировать так, чтобы они работали тихо и без подачи воздуха, для воздушно-независимая силовая установка использование на подводных лодках.
• Они легко запускаются (хотя и медленно, после прогрева) и работают более эффективно в холодную погоду, в отличие от внутреннего сгорания, которое быстро запускается в теплую погоду, но не в холодную.
• Двигатель Стирлинга, используемый для перекачивания воды, можно настроить так, чтобы вода охлаждала пространство сжатия. Это увеличивает эффективность при перекачивании холодной воды.
• Они очень гибкие. Их можно использовать как ТЭЦ (комбинированное производство тепла и электроэнергии ) зимой и как охладители летом.
• Отработанное тепло легко улавливается (по сравнению с отработанным теплом от двигателя внутреннего сгорания), что делает двигатели Стирлинга полезными для теплоэнергетических систем с двумя выходами.
• В 1986 году НАСА построило автомобильный двигатель Стирлинга и установило его в Chevrolet Знаменитости. Экономия топлива была улучшена на 45%, а выбросы были значительно сокращены. Ускорение (отклик мощности) было эквивалентно стандартному двигателю внутреннего сгорания. Этот двигатель, получивший обозначение Mod II, также сводит на нет аргументы, что двигатели Стирлинга тяжелые, дорогие, ненадежные и демонстрируют низкую производительность.^[89] Каталитический нейтрализатор, глушитель и частая замена масла не требуются.^[89]

Недостатки

Вопросы размера и стоимости

• Конструкции двигателей Стирлинга требуют теплообменники для ввода тепла и для вывода тепла, и они должны содержать давление рабочей жидкости, при этом давление пропорционально выходной мощности двигателя. Кроме того, теплообменник на стороне расширения часто имеет очень высокую температуру, поэтому материалы должны противостоять коррозионному воздействию источника тепла и иметь низкую слизняк. Обычно эти требования к материалам существенно увеличивают стоимость двигателя. Затраты на материалы и сборку высокотемпературного теплообменника обычно составляют 40% от общей стоимости двигателя.^[83]
• Все термодинамические циклы требуют больших перепадов температур для эффективной работы. В двигателе внешнего сгорания температура нагревателя всегда равна температуре расширения или превышает ее. Это означает, что металлургические требования к материалу нагревателя очень высокие. Это похоже на Газовая турбина, но в отличие от Двигатель Отто или же Дизель, где температура расширения может намного превышать металлургический предел материалов двигателя, поскольку подводимый источник тепла не проходит через двигатель, поэтому материалы двигателя работают ближе к средней температуре рабочего газа. Цикл Стирлинга на самом деле недостижим, реальный цикл в машинах Стирлинга менее эффективен, чем теоретический цикл Стирлинга, а также эффективность цикла Стирлинга ниже при умеренных температурах окружающей среды, в то время как он дает наилучшие результаты в прохладной среде. , например, зимы северных стран.
• Отвод отработанного тепла особенно затруднен, поскольку температура охлаждающей жидкости поддерживается на минимально возможном уровне для максимального повышения термического КПД. Это увеличивает размер радиаторов, что затрудняет упаковку. Наряду со стоимостью материалов это было одним из факторов, ограничивающих принятие двигателей Стирлинга в качестве тягачей для автомобилей. Для других приложений, таких как двигательная установка корабля и стационарный микрогенерация системы, использующие комбинированное производство тепла и электроэнергии (CHP) высокий удельная мощность не требуется.^[40]

Проблемы с мощностью и крутящим моментом

• Двигатели Стирлинга, особенно те, которые работают при небольших перепадах температур, довольно велики для той мощности, которую они производят (т. Е. Имеют низкую удельная мощность ). В первую очередь это связано с коэффициентом теплопередачи газовой конвекции, который ограничивает поток горячего воздуха которая может быть достигнута в типичном холодном теплообменнике примерно до 500 Вт / (м²· К), а в горячем теплообменнике примерно до 500–5000 Вт / (м²· К).^[82] По сравнению с двигателями внутреннего сгорания, это усложняет для разработчиков двигателей передачу тепла в рабочий газ и из него. Из-за тепловая эффективность требуемая теплопередача растет с меньшим перепадом температур, а площадь теплообменника (и стоимость) для мощности 1 кВт увеличивается с (1 / ΔT)². Поэтому удельная стоимость двигателей с очень низким перепадом температур очень высока. Увеличение перепада температур и / или давления позволяет двигателям Стирлинга производить больше мощности, при условии, что теплообменники рассчитаны на повышенную тепловую нагрузку и могут обеспечивать необходимый конвектируемый тепловой поток.
• Двигатель Стирлинга не может запуститься мгновенно; его буквально нужно «разогреть». Это верно для всех двигателей внешнего сгорания, но время прогрева может быть больше для Стирлингса, чем для других двигателей этого типа, таких как Паровые двигатели. Двигатели Стирлинга лучше всего использовать в качестве двигателей с постоянной частотой вращения.
• Выходная мощность Стирлинга имеет тенденцию быть постоянной, и для ее регулировки иногда может потребоваться тщательная конструкция и дополнительные механизмы. Как правило, изменение мощности достигается за счет изменения рабочего объема двигателя (часто за счет использования автомат перекоса коленчатый вал расположение), или путем изменения количества рабочей жидкости, или путем изменения фазового угла поршня / буйка, или в некоторых случаях просто путем изменения нагрузки двигателя. Это свойство является меньшим недостатком в гибридной электрической силовой установке или генерации энергосистем с «базовой нагрузкой», где фактически желательна постоянная выходная мощность.

Вопросы выбора газа

Используемый газ должен иметь низкий теплоемкость, так что данное количество переданного тепла приводит к значительному увеличению давления. С учетом этого вопроса, гелий был бы лучшим газом из-за его очень низкой теплоемкости. Воздух - жизнеспособная рабочая жидкость,^[90] но кислород в воздушном двигателе с высоким давлением может вызвать несчастные случаи со смертельным исходом из-за взрыва смазочного масла.^[83] После одной такой аварии Philips впервые применила другие газы, чтобы избежать такого риска взрыва.

• Водород 'медленный вязкость и высокий теплопроводность сделать его самым мощным рабочим газом, прежде всего потому, что двигатель может работать быстрее, чем с другими газами. Однако из-за поглощения водорода и с учетом высокой скорости диффузии, связанной с этой низкой молекулярный вес газ, особенно при высоких температурах, H₂ протекает через твердый металл нагревателя. Распространение через углеродистая сталь слишком высок, чтобы быть практичным, но может быть приемлемо низким для металлов, таких как алюминий, или даже нержавеющая сталь. Определенная керамика также значительно снижает диффузию. Герметичный Уплотнения сосуда высокого давления необходимы для поддержания давления внутри двигателя без замены потерянного газа. Для двигателей с высокотемпературным перепадом (HTD) могут потребоваться вспомогательные системы для поддержания высокого давления рабочей жидкости. Эти системы могут быть баллоном для хранения газа или газогенератором. Водород может быть получен электролиз воды, воздействие пара на раскаленное углеродное топливо, газификацией углеводородного топлива или реакцией кислота по металлу. Водород также может вызывать охрупчивание металлов. Водород - легковоспламеняющийся газ, который может быть опасен при выбросе из двигателя.
• В наиболее технически совершенных двигателях Стирлинга, например в двигателях, разработанных для правительственных лабораторий США, используются гелий в качестве рабочего газа, поскольку его эффективность и удельная мощность близки к водороду с меньшим количеством проблем с удержанием материала. Гелий инертный, следовательно, не горючий. Гелий относительно дорог и должен поставляться в баллонах. Один тест показал, что водород на 5% (абсолютный) эффективнее гелия (на 24% относительно) в двигателе Стирлинга GPU-3.^[91] Исследователь Аллан Орган продемонстрировал, что хорошо сконструированный воздушный двигатель теоретически так же эффективный как гелиевый или водородный двигатель, но гелиевые и водородные двигатели в несколько раз больше мощность на единицу объема.
• Некоторые двигатели используют воздуха или же азот в качестве рабочего тела. Эти газы имеют гораздо более низкую удельную мощность (что увеличивает стоимость двигателя), но они более удобны в использовании и сводят к минимуму проблемы с локализацией и подачей газа (что снижает затраты). Использование сжатый воздух при контакте с легковоспламеняющимися материалами или веществами, такими как смазочное масло, представляет опасность взрыва, потому что сжатый воздух содержит высокий частичное давление из кислород. Однако кислород можно удалить из воздуха посредством реакции окисления или можно использовать азот в баллонах, который почти инертен и очень безопасен.
• Другие возможные газы легче воздуха: метан, и аммиак.

Приложения

Применения двигателя Стирлинга варьируются от систем отопления и охлаждения до подводных энергетических систем. Двигатель Стирлинга может работать в обратном направлении как тепловой насос для отопления или охлаждения. Другие области применения включают комбинированное производство тепла и электроэнергии, производство солнечной энергии, криохладители Стирлинга, тепловой насос, судовые двигатели, двигатели маломощных авиамоделей,^[92] и двигатели с низким температурным перепадом.

Смотрите также

Рекомендации

Библиография

дальнейшее чтение

• R.C. Белэр (1977). «Устройство для уменьшения времени пуска двигателей Стирлинга», Патент США 4057962. Выдан Ford Motor Company 15 ноября 1977 г.
• P.H. Сеперли (1979). "Беспоршневой двигатель Стирлинга - тепловая машина бегущей волны". Журнал Акустического общества Америки. 66 (5): 1508–1513. Bibcode:1979ASAJ ... 66.1508C. Дои:10.1121/1.383505.
• П. Фетте. «Об эффективности регенератора в двигателе Стирлинга и функции объемного отношения V_{Максимум}/ V_мин". Архивировано из оригинал 8 марта 2001 г.. Получено 19 января 2009.
• П. Фетте. «Двигатель Стирлинга α-типа двойного действия двойного действия, способный работать с составными жидкостями, используя тепловую энергию от низких до средних температур». Архивировано из оригинал 8 марта 2001 г.. Получено 19 января 2009.
• Д. Хейвуд. "Введение в машины цикла Стирлинга" (PDF). Получено 25 декабря 2018.
• З. Герцог (2006). "Двигатели Стирлинга". Мон-Альто: Государственный университет Пенсильвании. Архивировано из оригинал 3 апреля 2007 г.. Получено 19 января 2009.
• Ф. Кей-Ману; А. Ободоако (2005). "Проект предложения водяного насоса солнечного двигателя Стирлинга" (PDF). Получено 19 января 2009.
• Лундский университет, Департамент энергетических наук: Отдел двигателей внутреннего сгорания. "Исследование двигателя Стирлинга". Архивировано из оригинал 19 апреля 2008 г.. Получено 19 января 2009.
• Д. Филлипс (1994). "Почему авиации нужен двигатель Стирлинга". Архивировано из оригинал 19 января 2009 г.. Получено 19 января 2009.

внешняя ссылка

• Как работают двигатели Стирлинга (YouTube видео)
• Как работают двигатели Стирлинга бета-типа (YouTube видео)
• Атомная электростанция НАСА на базе двигателя Стирлинга для использования на Луне на YouTube
• Анализ машины цикла Стирлинга, Исраэль Уриэли
• Как построить двигатель Стирлинга (2017). Двигатели Стирлинга: проектирование и изготовление
• Простой метод прогнозирования производительности двигателя Стирлинга
• Исследование паровоздушных двигателей XIX века