Новости

Двигун Стірлінга, минуле, сьогодення і майбутнє

31.07.2015

Двигун Стірлінга — минуле, теперішнє і майбутнє

Двигун Стірлінга — минуле, теперішнє і майбутнє

Зміст

1. Введення

2. Принцип роботи і пристрій

3. Перспективи використання

4. Висновок

5. Список літератури

6. Програми

Вступ

21 вересня 1816 року в Единбурзі, столиці Шотландії Роберт Стірлінг запатентував машину, яку він назвав «економайзер» (economiser ). У реальному житті Роберт Стірлінг був священиком шотландської церкви і продовжував вести служби, хоча йому до цього часу виповнилося вісімдесят шість років. У вільний час у своїй домашній майстерні він конструював теплові машини. Одну з його працювали моделей пізніше використав лорд Кельвін для своїх університетських лекцій.

Один з перших двигунів Стірлінга

В той час двигун Стірлінга отримав визнання як надійна парова машина, яка ніколи не вибухає, як це досить часто траплялося з іншими типами парових двигунів у ті часи.

У 1850 проста і елегантна динаміка двигуна Стірлінга був уперше теоретично описано професором Рэнкином МакКорном ( Professor McQuorne Rankine ). Приблизно через сто років термін «Двигун Стірлінга» був використаний Рольфом Мейером (Rolf Meijer) для позначення всіх типів регенеративних парових машин замкнутого циклу.

Двигун Стірлінга є унікальною теплової машиною, оскільки його теоретична ефективність практично дорівнює максимальній ефективності теплових машин ( ефективність циклу Карно ). Двигун Стірлінга працює за рахунок теплового розширення газу, за яким слід стиснення газу після його охолодження. Двигун Стірлінга містить певний постійний об’єм робочого газу, який переміщується між «холодної» частиною (зазвичай кімнатної температури) і «гарячої» частиною, яка зазвичай розігрівається за рахунок спалювання будь-якого виду палива, атомним реактором або за рахунок сонячного тепла. Нагрів проводиться зовні, тому двигун Стірлінга відносять до двигунів зовнішнього згоряння.

З моменту винаходу було розроблено велику кількість різних різновидів двигунів Стірлінга з метою підвищення потужності та ефективності. додаток 2 ). Двигун Стірлінга був визнаний найбільш перспективним з-за свого високого ккд і надійності. Випускаються холодильні установки, що працюють на зворотному циклі Стірлінга — як промислові, дозволяють отримувати температуру до -240

0 З ( див. додаток 3 ), так і призначені для використання в побутових холодильниках. В останньому випадку їх переваги перед традиційними системами обумовлені тим, що в якості холодоагенту в них може бути використаний звичайний повітря.

Таким чином, можна сказати, що історія двигуна Стірлінга далеко не закінчена. Його розвиток входить в новий перспективний етап.

Двигун Стірлінга є тепловою машиною замкнутого циклу. Його робота заснована на розширенні газу, що використовується як робоче тіло, при підвищенні температури. На рисунку наведено діаграми для ідеального циклу Стірлінга в координатах тиск-об’єм P-V і температура-ентропія T-S та ілюстрації відповідних процесів.

На діаграмах цифрами позначені точки, що розділяють етапи роботи двигуна. На першому етапі (1-2) відбувається ізотермічне розширення газу. Далі, на наступному етапі (2-3) — охолодження при постійному обсязі. Далі (етап 3-4) — ізотермічне стиснення охолодженого газу. І нарешті на етапі 4-1 розігрів при постійному обсязі. Корисна робота виконується газом лише на першому етапі. Все решта відбувається за рахунок частини енергії запасеної (зазвичай, енергії обертового колеса).

Існують два основних типи двигунів Стірлінга, які відрізняються пристроєм циліндрів. У першому — так званому двухцилиндровом (Two pistons type Stirling engine) використовуються роздільні циліндри для нагрівання та охолодження робочого газу.

Двоциліндровий двигун Стірлінга

На цьому малюнку верхня частина гарячого циліндра з поршнем (hot piston) постійно нагрівається зовнішнім джерелом тепла, в той час, як верхня частина холодного циліндра з поршнем (cold piston) постійно охолоджується. Слід звернути увагу, що поршні закріплені на колінчастому валу (crank shaft) так, що забезпечують зсув по фазі на 90 градусів, тобто в той час, як гарячий поршень досягає верхнього положення, холодний знаходиться в середньому положенні, рухаючись вгору. Цей момент сооответствует етапу 2-3 на попередньому малюнку — охолодження при постійному обсязі. Потім холодний поршень піднімається вгору, стискаючи охолоджений газ при постійній температурі — етап 3-4. Коли холодний поршень витісняє охлаженный та стиснений газ в гарячий циліндр, той розігрівається при постійному обсязі — етап 4-1. І нарешті, гарячий газ розширюється, штовхаючи поршень в гарячому циліндрі вниз — етап 1-2. На останньому етапі виділяється потужність, частина якої запасається обертовим колесом (flywheel).

В іншій конструкції — двигуні Стірлінга поршневого типу (Displacer type Stirling engine) — використовується один циліндр, одна сторона якого (верхня на наведеному нижче малюнку) постійно охолоджується, а інша — постійно нагрівається. Поршень-дисплейсер (displacer), що розділяє холодну і гарячу частині циліндра, нещільно прилягає до стінок циліндра, що дозволяє газу переміщатися між ними. У цій конструкції поршні так само закріплені на колінчастому валу зі зсувом по фазі на 90 градусів. Двигун работаетпо тим же принципом, що і попередня конструкція.

Двигун Стірлінга поршневого типу

І в тій, і в іншій конструкції теплова енергія нагрівача перетвориться в механічну енергію обертання валу. Однак, можливо використання і зворотного циклу Стірлінга — якщо за рахунок зовнішнього двигуна обертати вал в цих машинах, робочий газ буде рухатися з того ж циклу. При цьому «гарячий» циліндр буде охолоджуватися, а «холодний» — розігріватися. Тобто двигун Стірлінга в цьому випадку буде працювати як тепловий насос, тобто холодильна машина. Робочим тілом у ньому може служити будь-який газ, у тому числі і атмосферне повітря.

Перспективи використання.

Розвиток науки і техніки ривело до утворення нових «екологічних ніш», в яких з успіхом може застосовуватися двигун Стірлінга. Деякі з них показані на нижченаведених малюнках.

Перспективні застосування двигуна Стірлінга.

На першому з них показаний приклад сонячної енергетичної установки (solar power system). Високий к. п. д. простота і надійність конструкції двигуна Стірлінга обумовлюють ефективність його використання в даних системах. Сонячне світло фокусується увігнутими дзеркалами для розігріву двигуна (в якості джерела тепла). У ролі охолоджувача може використовуватися навколишній атмосферне повітря. Роль такого екологічно чистого джерела енергії у сучасному світі легко оцінити.

На другому малюнку схематично зображений тепловий насос Вуллемейера (Vuillemeier Heat Pump). Відомо, що при використанні зворотного циклу Срирлинга, тобто якщо, наприклад, приводити двигун Стірлінга в рух з допомогою якого-небудь зовнішнього джерела (наприклад, ще одного двигуна Стірлінга), «гарячий» циліндр буде охолоджуватися, а «холодний» — розігріватися. Якщо при цьому розігрівати «гарячий» циліндр (наприклад, навколишнім повітрям), «холодний» циліндр буде розігріватися до більш високої температури. При цьому зовнішня енергія витрачається не безпосередньо на розігрів, а на «перекачування» тепла з холодного місця в більш тепле, що набагато эффетивнее. Для ідеального випадку к. п. д. такої системи може бути обчислений як

де

з — абсолютна температура холодної частини

h — абсолютна температура гарячої частини

Оскільки навіть у сильні морози Т

з рідко опускається нижче 250 градусів Кельвіна, для підтримання Т

h на рівні 300 градусів Кельвіна ( 27

0 ) к.п. д. становить 250/(300-250)=5. Тобто, витративши 1 кВт

год електроенергії на роботу теплового насоса, ми отримаємо в 5 разів більше тепла, ніж якщо б подавали ту ж потужність прямо на електронагрівач. Звідси легко зрозуміти інтерес до теплових насосів на основі циклу Стірлінга.

На наступному малюнку представлений криокулер Стірлінга (Stirling cryocooler). Він працює за тим же принципом теплового насоса, але використовується в якості холодильної установки для отримання дуже низьких температур. Далі будуть більш детально описані перспективи і переваги пристроїв цього типу.

На останньому малюнку покан двигун Стірлінга, встановлений на атомному підводному човні. Оскільки в цьому випадку вага і габарити двигуна не відіграють вирішальної ролі, високий к. п. д. і надійність роблять його ідеальним кандидатом для перетворення теплової енергії, що виробляється атомним реактором, в механічну. Завдяки тому, що двигун Стірлінга практично не потребує догляду і налаштуванні, він може бути розміщений в ізольованій частині корпусу, що особливо істотно в разі утрудненого доступу (як у випадку підводних човнів або космічних апаратів). Так, фахівці NASA ( Національного Аерокосмічного Агентства США) були виконані попередні опрацювання проекту створення населеної бази на Місяці ( див. додаток 2 ). Проектом передбачається поступове, «еволюційний» будівництво бази — починаючи з маленького жилого модуля і до великої производственой бази з повною обробкою корисних копалин. В якості основного джерела енергії для роботи в умовах місячної поверхні був обраний атомний реактор SP-100 тепловою потужністю 2500 кВт і 8 електричних генераторів, що працюють від двигунів Стірлінга. Два з них передбачалося тримати в резерві для забезпечення необхідного рівня резервування потужності, а решта планувалося використовувати на 91.7 процентів від їх номінальної електричної потужності (150 кВт). Таким чином, повна проектна електрична потужність становить 825 кВт. В якості додаткового джерела на першому етапі будівництва передбачено використання нарощуваних сонячних батарей. У проекті наводиться докладний технічний опис реакторної установки, конструкції і теплового приєднання двигунів Стірлінга, систем відведення тепла і розподілу потужності.

Описаний місячний проект демонструє потенційні застосування двигунів Стірлінга в майбутньому. Якщо повернутися в даний час, можна привести, як приклад, почався випуск домашніх електрогенераторів на двигуні Стірлінга ( див. додаток 1 ). У наведеному рекламному матеріалі описано суміщений нагрівач-електрогенератор WG800 потужністю 800 Вт на двигуні Стірлінга. Прилад універсальний, призначений для використання як в домашніх умовах, так і під відкритим небом. Його переваги — висока надійність і автономність (5000 годин роботи до першого технічного обслуговування), низький рівень шуму — пальне згоряє безперервно, на відміну від двигунів внутрішнього згоряння, де воно надходить у циліндр порціями і там вибухає. В якості палива може використовуватися природний газ, всі види рідкого палива, вугілля і навіть дроваВсе це робить його надзвичайно зручним для використання у віддалених від электосетей. На ринку доступні так само більш потужні, 3 кВт, моделі приладу.

Інший приклад сучасного використання приладів, заснованих на циклі Стірлінга — криокулеры. У широких масштабах їх почали виробляти близько десяти років тому — переважно для використання у військовій техніці: на танках і літаках треба було встановлювати високочутливі охолоджувані до температур порядку -200

0 З датчики і приймачі. Для їх охолодження і були розроблені криокулеры на основі зворотного циклу Стірлінга. Нижче наводиться короткий опис одного з вітчизняних криокулеров, які у зв’язку з конверсією надійшли на відкритий ринок.

Взагалі кажучи, сучасна напівпровідникова електроніка підійшла в своєму розвитку до межі, обумовленої фізичними законами. Подальше підвищення характаристик вимагає переходу до охолоджуваних до температур порядку -100

0 -200

0 З елементів. На останніх конференціях по електроніці (ISEC-97, EUCAS-97) активно обговорюються різні способи охолодження аппаратыры. На сьогоднішній день найбільш перспективним визнано використання криокулеров на циклі Стірлінга. Наявні в даний час випускаються дрібними серіями моделі малопотужних криокулеров коштують близько 10-15 тисяч доларів. При переході до багатосерійного виробництва очікується, що ціни впадуть у кілька разів, що зробить комерційно рентабельним використання охолоджуваних елементів спочатку в найбільш відповідальних системах — таких, як файл-сервери, і великі комп’ютери, а в перспективі і в побутових комп’ютерах. Таким чином, можна очікувати, що до середини наступного століття, у міру розповсюдження домашніх комп’ютерів, двигун Стірлінга прийде практично в кожен дім

Висновок

Після свого винаходу в 1816 році, двигун Стірлінга пережив перший період свого широкого розповсюдження — в кінці минулого — початку нашого століття, після чого був практично забутий. Але в останні роки він знову привертає до себе підвищений інтерес в самих різних областях використання. В даний час швидко розширюється використання криокулеров на основі циклу Стірлінга, випускаються електрогенератори, що працюють від двигунів Стірлінга. Його переваги — високий к. п. д. надійність, невибагливість, можливість використання екологічно чистих джерел енергії дозволяють розраховувати на широке поширення двигуна Стірлінга в майбутньому.

Література.

1. El-Genk, Mohamed S.; Editor (1994) A Critical Review of SPACE NUCLEAR POWERAND PROPULSION 1984-1993, American Institute of Physics Press

2. Organ, A. J. (1992) Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Cycle Machine, Cambridge University Press

3. Reader, G. T. and Hooper, C. (1983) Stirling Engines, E. & F. N. Spon

4. Urieli, I. and Berchowitz, D. M. (1984) Stirling Cycle Engine Analysis, Adam Hilger Ltd.

5. Walker, G. (1973) Stirling-Cycle Machines, Oxford University Press

6. West, C. D. (1986) Principles and Applications or Stirling Engines, Van Nostrand Reinhold Company, Inc.

7. Roberts, M. L. Inflatable Habitation for the Lunar Base. Presented at the Symposium on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century, Apr. 5-7, 1988, Houston, TX, Paper Number LBS-88-266.

8. Conceptual Design of a Lunar Oxygen Pilot Plant-Lunar Base Systems Study. (EEI-88-182, Eagle Engineering, Inc. NASA Contract NAS9-17878) NASA-CR-172082.

9. Brinker, D. J.; and Flood, D. J. Advanced Photovoltaic Power Power System Technology for Lunar Base Applications. NASA TM-100965, 1988.

10. A. C. Klein, NASA Lewis Summer Intern Report.

11. Personal communication from J. Alfred, NASA Johnson Space Center.

12. Bloomfield, H. S. Small Reactor Power Systems for Укомплектованим Planetary Surface Bases. NASA TM-100223, 1987.

13. Slaby, J. G. Overview of the 1988 Free-Piston Stirling SP-100 Activities at the NASA Lewis Research Center. NASA TM-87305, 1986.

14. English, R. E.; and Guentart, D. G. Segmenting of Radiators for Meteoroid Protection. ARS J. vol. 31, no.8, Aug. 1961, pp. 1162-1163.

15. Bien, D. D.; and Guentart, D. C. A Method for Reducing the Equivalent Sink Temperature of a Vertically Oriented Radiator on the Lunar Surface. NASA TM X-1729, 1969. Як зібрати машину на паровому двигуні.

Короткий опис статті: двигун стірлінга

Джерело: Двигун Стірлінга — минуле, теперішнє і майбутнє

Також ви можете прочитати