Проект двигателя Стирлинга на солнечной энергии

Краткий экскурс в проблему...

Двигателем Стирлинга принято называть двигатели внешнего сгорания замкнутого цикла . Эти двигатели были  забыты с развитием ДВС (двигатели внутреннего сгорания) но в последние время на них все чаще обращают внимание в связи с подорожанием нефти. В солнечной енергетике они нашли свое применение как електрогенераторы и могут конкурировать с полупроводниковыми елементами, и по цене и по КПД.

Самыми близкими родственниками двигателя Стирлинга являются паровые машины. Принципиальная разница состоит в том, что как рабочее тело в двигателе Стирлинга используется газ в замкнутом цикле а не пар. По конструкции эти двигатели могут быть и достаточно простые и очень хитромудрые.  В целом, конструктивно они проще от ДВС и требования к точности и компрессии у них ниже. Похоже, что можна сконструировать рабочий двигатель Стирлинга из подручных материалов, что само по себе уже интересно.

Для роботы таких двигателей необходима разница температур, в этом смысле они являются полной противоположностью тепловым насосам. Основное же отличие от двигателей внутреннего сгорания состоит в необходимости осуществлять теплообмен с рабочим газом. В этом есть и свои преимущества и свои недостатки. 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. В классических схемах перемещение газа осуществляется специальным устройством - вытеснителем.   

Существуют низкотемпературные конструкции, которые позволяют преобразовывать теплоту в механическую роботу даже при низкой разнице температур. Вот одна из таких схем. Тепло подводится снизу, холод сверху. Рабочим является верхний цилиндр, нижний ведомый - вытеснитель. Связаны между собой вытеснитель и рабочий поршень кривошипно-шатунным механизмом со сдвигом на 90 градусов. Поршень нижнего цилиндра не плотно прилегает к стенкам и при его движение газ вытесняется из области нагрева в область охлаждения и наоборот. При этом давление газа в системе меняется и рабочий поршень осуществляет полезную работу.

гама

Вот еще мультиков надергал из Интернета, с различными схемами двигателя.   Принципиальное различие состоит только во взаимном расположении поршня и вытеснителя.

       альфа,                                       вета

 

                                                бета

 

 

Для повышения КПД применяется регенератор - газопроницаемая среда с высокой теплоемкостью и теплопроводностью. В качестве регенератора может использоваться металлическая дробь, сетки итд.. Смысл состоит в том, чтобы отнять энергию газа на N-1 цикле и передать ее на N+1цикл. На рис. 1 показана классическая схема работы вытеснителя с нагревателем, регенератором и холодильником. Поршень вытеснителя может быть жестко связан посредством кривошипно-шатунного механизма с поршнем рабочего цилиндра. Есть схемы без жесткой связи - так называемые свободнопоршневые. Рабочий цилиндр не нарисован.В зависимости от места его подключению к указанной системе существуют три основные схемы двигателя - альфа, бета и гама. Не вникая в особенности этих схем, общим недостатком является наличие паразитного , "мертвого" объема, который понижает КПД двигателя. Конструктивное расположение вытеснителя, нагревателя  холодильника и рабочего цилиндра таковы, что часть объема газа  не греется и не охлаждается а только  демпфирует работу рабочего цилиндра. 

 

 

 

Общей проблемой двигателей Стирлинга является также их низкая удельная мощность, тоесть большие размеры. Все это связано с проблемой теплопередачи.  Теплоотдача определяется эмпирической формулой Q=k*t*S*dT, где Q количество тепла, t время, S площадь, dT разница температур. k коэффициент теплоотдачи который для воздуха равен 5,6+4*V (Вт/квм*К). V скорость воздуха в м/с. Как видно для обеспечения ощутимой мощности необходимо обеспечить большую площадь теплообмена и скорость воздуха относительно поверхности.

Для увеличения теплообмена в двигателе Стирлинга и уменьшению паразитного объема, мною было предложена следующая свободнопоршневая схема без явного вытеснителя для низкотемпературного двигателя рис.2. В герметичном резервуаре размещаются пластинчатые теплообменники  вода-воздух  (радиатор) - нагреватель и холодильник . Площадь такого теплообменника может достигать кв. метров при небольшом объеме, благодаря большому количеству пластин. Тепло для нагрева и охлаждения поступает на теплообменник жидкостями извне по патрубкам. Вентилятор поочередно в различном направлении приводится в движение электроприводом. При циклическом изменении направления потока воздуха газ в резервуаре поочередно нагревается и охлаждается. При этом изменяется давление газа и приводится в циклическое движение рабочий цилиндр, не указаний на схеме. Возможна также иная схема без регенератора. Два вентилятора работают поочередно, каждый обдувает отдельно теплообменник нагревателя и холодильника. Для повышения теплообмена предполагается поддерживать в резервуаре повышенное давление.

Анализ литературы по низкотемпературным Стирлингам показывает возможность построения двигателя с КПД 0.5=0,55 от того что дает формула Карно. Таким образом если использовать солнечные коллекторы для нагревателя, температура воды в которых может достигать 80 грС, а в качестве холодильника, скажем подземные коллектора тепловых насосов с температурой 10 грС, можно оценить КПД предполагаемого двигателя как 0,5*70/353=0.1. Результат вполне сравнимый с солнечными батареями. Учитывая высокую цену кремниевых батарей а также их деградацию, создание подобного двигателя весьма перспективно.

На самом деле  предлагается  вариант как заменить громоздкий вытеснительный механизм в стирлинге. Вот какие у меня были соображения в случае вентиляторного " вытеснителя". Как известно КПД самолетного винта 82-86 проц. Канально-осевого вентилятора может быть больше 90, поскольку радиальное сваливание потока ограничено трубой. КПД двигателя постоянного тока достигает 95 проц. Все вместе пускай 0, 85.  Мы знаем что низкотемпературные движки работают и у них очень большой вытеснитель. Потери у него на трение и на изменение импульса каждый раз, поскольку он движется или крутится туда-сюда. Тогда на каждом цыкле он теряет 2mV. Значит КПД вытеснительного механизма не единица а потери на его работу ощутимые и можно с большой степенью вероятности допустить, что они могут быть сравнимыми с потерями вентилятора. Вывод - с вентиляторами можна пробовать, раз вытеснительные двигатели работают. И если у меня в конструкции что-то не так, то можна искать утечки и доводить ее. Я полагаю самая большая проблема с паразитным теплообменом.

Для высокотемпературных Стирлингов характерна проблема смазки, и быстрая в связи с этим изнашиваемость и коррозия. Частично решить эту проблему можно также используя электропривод вытеснителя в свободнопоршневой схеме. При этом будет устранена энергоемкая механическая связь между рабочим цилиндром и вытеснителем и обеспечена герметичность системы при высоких давлениях. Кажется перспективным сложный роторный вытеснитель с теплообменником подобно конденсатору переменной емкости в старых радиоприемниках. Такая сложная форма обеспечит большую площадь поверхности при малом объеме. При этом вращательное движение в антифрикционных втулках  роторного вытеснителя не потребует жидкой смазки.

Реализация проекта

 

                        

 

   

Вот из этого  и много чего начал делать стирлинг. Сделал воздуходувки из пластиковых мысок и электродвигателей печек ВАЗА.

 

  

 

  

Сейчас грею котлом, разница температур 70 С,   но впринцыпе все это затеял под солнечные коллектора.

 

      

А вот как это пока работает http://video.yandex.ua/users/panxatka/view/3/  .  Вообще движок должен работать при стартовом давлении 10 Ат. Ну и все показатели в том числе и частотные должны улучшиться. Некоторые даже в 10 раз.

 

Литература

 

r.canterbury.ac.nz/bitstream/10092/2916/1/thesis_fulltext.pdf
b-dig.iie.org.mx/BibDig/P10-0464/pdf/2606.pdf
http://www.youtube.com/watch?NR=1&feature=endscreen&v=Srm7GcaL3DE

 Написать письмо

Hosted by uCoz