Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель , который работает за счет циклического расширения и сжатия воздуха или другого газа ( рабочего тела ) путем воздействия на него различных температур, что приводит к чистому преобразованию тепловой энергии в механическую работу . [1] [2]
Более конкретно, двигатель Стирлинга представляет собой регенеративный тепловой двигатель замкнутого цикла с постоянным газообразным рабочим телом. Закрытый цикл в данном контексте означает термодинамическую систему , в которой рабочее тело постоянно содержится внутри системы. Регенеративный описывает использование определенного типа внутреннего теплообменника и теплового накопителя, известного как регенератор . Строго говоря, включение регенератора — это то, что отличает двигатель Стирлинга от других двигателей замкнутого цикла, работающих на горячем воздухе . [3]
В двигателе Стирлинга рабочая жидкость (например, воздух) нагревается энергией, поступающей извне внутреннего пространства двигателя (цилиндра). По мере расширения жидкости механическая работа извлекается поршнем, который соединен с вытеснителем. Вытеснитель перемещает рабочую жидкость в другое место внутри двигателя, где она охлаждается, что создает частичный вакуум в рабочем цилиндре, и извлекается больше механической работы. Вытеснитель перемещает охлажденную жидкость обратно в горячую часть двигателя, и цикл продолжается.
Уникальной особенностью является регенератор, который действует как временный накопитель тепла, сохраняя тепло внутри машины, а не отдавая его в радиатор, тем самым повышая ее эффективность.
Тепло подается извне, поэтому горячая область двигателя может быть нагрета любым внешним источником тепла. Аналогично, более холодная часть двигателя может поддерживаться внешним теплоотводом, таким как проточная вода или поток воздуха. Газ постоянно удерживается в двигателе, что позволяет использовать газ с наиболее подходящими свойствами, например, гелий или водород. Нет впускных и выпускных газовых потоков, поэтому машина практически бесшумна.
Машина является реверсивной, то есть если вал вращается внешним источником энергии, в машине возникает разность температур; таким образом, она действует как тепловой насос .
Двигатель Стирлинга был изобретен шотландцем Робертом Стирлингом [4] в 1816 году как промышленный первичный двигатель , чтобы конкурировать с паровым двигателем , и его практическое использование в течение более столетия в основном ограничивалось маломощными бытовыми приложениями. [5]
Современные инвестиции в возобновляемые источники энергии , особенно в солнечную энергию , привели к ее применению в концентрированной солнечной энергетике и в качестве теплового насоса.
Роберт Стирлинг считается одним из отцов двигателей, работающих на горячем воздухе, наряду с более ранними новаторами, такими как Гийом Амонтон , [6] который построил первый работающий двигатель, работающий на горячем воздухе, в 1699 году. [7]
Позже за Амонтоном последовал сэр Джордж Кейли . [8] Этот тип двигателя был одним из тех, в которых огонь был закрыт и питался воздухом, закачиваемым под решетку в количестве, достаточном для поддержания горения, в то время как большая часть воздуха поступала над огнем, чтобы нагреваться и расширяться; затем все вместе с продуктами сгорания воздействовало на поршень и проходило через рабочий цилиндр; и поскольку операция была одной из простых смешиваний, не требовалась нагревательная поверхность металла, воздух, который должен был быть нагрет, приводился в непосредственный контакт с огнем. [ необходима ссылка ]
Стирлинг придумал первый воздушный двигатель в 1816 году. [9] Принцип воздушного двигателя Стирлинга отличается от принципа сэра Джорджа Кейли (1807), в котором воздух прогоняется через топку и выпускается, тогда как в двигателе Стирлинга воздух работает в замкнутом контуре. Изобретатель уделил этому большую часть своего внимания. [ необходима цитата ]
Двигатель мощностью 2 лошадиные силы (1,5 кВт), построенный в 1818 году для перекачивания воды в карьере в Эйршире, продолжал работать некоторое время, пока неосторожный обслуживающий персонал не допустил перегрева нагревателя. Этот эксперимент доказал изобретателю, что из-за низкого рабочего давления двигатель можно было приспособить только к малой мощности, на которую в то время не было спроса. [ необходима цитата ]
Патент Стирлинга 1816 года [10] также был посвящен « экономайзеру », который является предшественником регенератора. В этом патенте (№ 4081) он описывает технологию «экономайзера» и несколько приложений, где такая технология может быть использована. Из них возникла новая компоновка для двигателя горячего воздуха. [ необходима цитата ]
В 1827 году Стерлинг вместе со своим братом Джеймсом запатентовал второй двигатель, работающий на горячем воздухе. [11] Они изменили конструкцию так, чтобы горячие концы вытеснителей находились под механизмом, и добавили насос сжатого воздуха, чтобы давление воздуха внутри можно было увеличить примерно до 20 стандартных атмосфер (2000 кПа). [ необходима цитата ]
За братьями Стерлинг вскоре (в 1828 году) последовали Паркинсон и Кроссли [12] и Арнотт [13] в 1829 году. [ необходима цитата ]
Эти предшественники, включая Эрикссона, [14] подарили миру технологию двигателя горячего воздуха и ее огромные преимущества по сравнению с паровым двигателем. [ необходима цитата ] Каждый из них придумал свою собственную специфическую технологию, и хотя двигатель Стирлинга и двигатели Паркинсона и Кроссли были довольно похожи, Роберт Стирлинг отличился тем, что изобрел регенератор. [ необходима цитата ]
Паркинсон и Кроссли ввели принцип использования воздуха большей плотности, чем у атмосферы, и таким образом получили двигатель большей мощности в том же объеме. Джеймс Стирлинг следовал этой же идее, когда построил знаменитый двигатель Данди. [15]
Патент Стирлинга 1827 года лег в основу третьего патента Стирлинга 1840 года. [16] Изменения по сравнению с патентом 1827 года были незначительными, но существенными, и этот третий патент привел к созданию двигателя Данди. [17]
Джеймс Стерлинг представил свой двигатель Институту гражданских инженеров в 1845 году [18], первый двигатель такого рода, который после различных модификаций был эффективно сконструирован и нагрет, имел цилиндр диаметром 30 сантиметров (12 дюймов) с длиной хода 60 сантиметров (2 фута) и делал 40 ходов или оборотов в минуту (40 об/мин). Этот двигатель приводил в движение все машины на заводах компании Dundee Foundry в течение восьми или десяти месяцев, и ранее было обнаружено, что он способен поднимать 320 000 кг (700 000 фунтов) на 60 см (2 фута) в минуту, мощность приблизительно 16 киловатт (21 лошадиная сила). [ необходима цитата ] Найдя эту мощность недостаточной для своих работ, Dundee Foundry Company установила второй двигатель с цилиндром диаметром 40 сантиметров (16 дюймов), ходом 1,2 метра (4 фута) и совершающим 28 ходов в минуту. Когда этот двигатель непрерывно работал более двух лет, он не только выполнил работу литейного цеха самым удовлетворительным образом, но и был испытан (фрикционным тормозом на третьем двигателе) в степени подъема почти 687 тонн (1 500 000 фунтов ), приблизительно 34 киловатта (45 лошадиных сил). [ необходима цитата ]
Двигатель Стирлинга (или воздушный двигатель Стирлинга, как его называли в то время) был изобретен и запатентован в 1816 году. [19] Он последовал за более ранними попытками создания воздушного двигателя , но, вероятно, был первым, примененным на практике, когда в 1818 году двигатель, построенный Стирлингом, использовался для перекачивания воды в карьере . [20] Главным предметом оригинального патента Стирлинга был теплообменник, который он назвал « экономайзером » за его повышение экономии топлива в различных приложениях. Патент также подробно описывал использование одной формы экономайзера в его уникальной конструкции воздушного двигателя замкнутого цикла [21], в котором он теперь широко известен как «регенератор». Последующие разработки Роберта Стирлинга и его брата Джеймса , инженера, привели к патентам на различные улучшенные конфигурации оригинального двигателя, включая наддув, который к 1843 году имел достаточно увеличенную выходную мощность, чтобы приводить в действие все оборудование на чугунолитейном заводе в Данди . [22]
В докладе, представленном Джеймсом Стерлингом в июне 1845 года Институту гражданских инженеров, говорилось, что его целью была не только экономия топлива, но и создание более безопасной альтернативы паровым машинам того времени, [23] котлы которых часто взрывались, что приводило к многочисленным травмам и смертельным случаям. [24] [25] Однако это утверждение оспаривалось. [26]
Необходимость работы двигателей Стирлинга при очень высоких температурах для максимизации мощности и эффективности выявила ограничения в материалах того времени, и немногие двигатели, которые были построены в те ранние годы, терпели неприемлемо частые отказы (хотя и с гораздо менее катастрофическими последствиями, чем взрывы котлов). [27] Например, двигатель литейного завода Данди был заменен паровым двигателем после трех отказов горячего цилиндра за четыре года. [28]
После замены литейного двигателя Данди нет никаких записей о том, что братья Стирлинги имели какое-либо дальнейшее участие в разработке воздушного двигателя, и двигатель Стирлинга больше никогда не конкурировал с паром в качестве источника энергии в промышленных масштабах. (Паровые котлы становились более безопасными, например, паровой котел Хартфорда [29] , а паровые двигатели более эффективными, таким образом, представляя меньшую цель для конкурирующих первичных двигателей). Однако, начиная примерно с 1860 года, меньшие двигатели типа Стирлинга/горячего воздуха производились в значительных количествах для применений, в которых требовались надежные источники низкой и средней мощности, такие как нагнетание воздуха для церковных органов или подъем воды. [30] Эти меньшие двигатели, как правило, работали при более низких температурах, чтобы не нагружать имеющиеся материалы, и поэтому были относительно неэффективными. Их коммерческим преимуществом было то, что, в отличие от паровых двигателей, ими мог безопасно управлять любой, кто мог справиться с огнем. В каталоге Rider-Ericsson Engine Co. 1906 года утверждалось, что «любой садовник или обычный домохозяйка может управлять этими двигателями, и не требуется лицензированного или опытного инженера». Несколько типов оставались в производстве и после конца столетия, но, за исключением нескольких незначительных механических усовершенствований, конструкция двигателя Стирлинга в целом в этот период находилась в состоянии застоя. [31]
В начале 20-го века роль двигателя Стирлинга как «бытового двигателя» [32] постепенно перешла к электродвигателям и небольшим двигателям внутреннего сгорания . К концу 1930-х годов он был в значительной степени забыт, производился только для игрушек и нескольких небольших вентиляторов. [33]
Примерно в то время Philips стремилась расширить продажи своих радиоприемников в тех частях мира, где сетевое электричество и батареи не были постоянно доступны. Руководство Philips решило, что предложение маломощного портативного генератора будет способствовать таким продажам, и попросило группу инженеров в исследовательской лаборатории компании в Эйндховене оценить альтернативные способы достижения этой цели. После систематического сравнения различных первичных двигателей команда решила продолжить работу с двигателем Стирлинга, сославшись на его тихую работу (как на слух, так и с точки зрения радиопомех) и способность работать на различных источниках тепла (обычное ламповое масло — «дешевое и доступное везде» — было предпочтительным). [34] Они также знали, что, в отличие от паровых двигателей и двигателей внутреннего сгорания, практически никаких серьезных разработок двигателя Стирлинга не проводилось в течение многих лет, и утверждали, что современные материалы и ноу-хау должны позволить внести большие улучшения. [35]
К 1951 году генераторная установка мощностью 180/200 Вт, обозначенная как MP1002CA (известная как «набор для бунгало»), была готова к производству, и была запланирована начальная партия из 250 штук, но вскоре стало ясно, что они не могут быть произведены по конкурентоспособной цене. Кроме того, появление транзисторных радиоприемников и их гораздо более низкие требования к мощности означали, что первоначальная причина для набора исчезла. В конечном итоге было произведено около 150 таких наборов. [36] Некоторые из них попали на инженерные факультеты университетов и колледжей по всему миру, дав поколениям студентов ценное введение в двигатель Стирлинга; письмо от марта 1961 года от Research and Control Instruments Ltd. London WC1 в Технический колледж Северного Девона, предлагающее «оставшиеся запасы... таким учреждениям, как вы... по специальной цене 75 фунтов стерлингов нетто». [ необходима цитата ]
Параллельно с набором Bungalow компания Philips разработала экспериментальные двигатели Стирлинга для широкого спектра применений и продолжала работать в этой области до конца 1970-х годов, но добилась коммерческого успеха только с криохолодильником «обратный двигатель Стирлинга» . Они подали большое количество патентов и накопили огромное количество информации, которую они лицензировали другим компаниям и которая легла в основу многих разработок в современную эпоху. [37]
В 1996 году шведский флот ввел в эксплуатацию три подводные лодки класса Gotland . На поверхности эти лодки приводятся в движение морскими дизельными двигателями; однако, находясь под водой, они используют генератор с приводом от Стирлинга, разработанный шведской судостроительной компанией Kockums, для подзарядки аккумуляторов и обеспечения электроэнергией для движения. [38] Для поддержки сжигания дизельного топлива для питания двигателя предусмотрен запас жидкого кислорода. Двигатели Стирлинга также установлены на шведских подводных лодках класса Södermanland , подводных лодках класса Archer, находящихся на вооружении в Сингапуре, и японских подводных лодках класса Sōryū , причем двигатели производятся по лицензии компанией Kawasaki Heavy Industries . При использовании на подводных лодках двигатель Стирлинга имеет то преимущество, что он исключительно тихий при работе. [ требуется ссылка ]
К началу 21 века двигатели Стирлинга использовались в тарельчатой версии систем концентрированной солнечной энергии . Зеркальная тарелка, похожая на очень большую спутниковую тарелку, направляет и концентрирует солнечный свет на тепловой приемник, который поглощает и собирает тепло и с помощью жидкости передает его в двигатель Стирлинга. Полученная механическая энергия затем используется для работы генератора или альтернатора для производства электроэнергии. [39]
Основным компонентом микро-комбинированных теплоэлектростанций (ТЭЦ) может быть двигатель цикла Стирлинга, поскольку они более эффективны и безопасны, чем сопоставимые паровые двигатели. К 2003 году ТЭЦ устанавливались в коммерческих целях в бытовых целях, таких как домашние электрогенераторы. [40]
В 2013 году была опубликована статья о законах масштабирования свободнопоршневых двигателей Стирлинга на основе шести характеристических безразмерных групп . [41]
Роберт Стирлинг запатентовал первый практический пример двигателя с замкнутым циклом горячего воздуха в 1816 году, и еще в 1884 году Флеминг Дженкин предложил, что все такие двигатели должны поэтому в общем называться двигателями Стирлинга. Это предложение по наименованию не нашло поддержки, и различные типы на рынке продолжали быть известны по именам их индивидуальных разработчиков или производителей, например, двигатель Райдера, Робинсона или (горячего) воздуха Хайнрици. В 1940-х годах компания Philips искала подходящее название для своей собственной версии «воздушного двигателя», которая к тому времени была испытана с рабочими жидкостями, отличными от воздуха, и остановилась на «двигателе Стирлинга» в апреле 1945 года. [42] Однако почти тридцать лет спустя Грэм Уокер все еще имел причины сетовать на тот факт, что такие термины, как двигатель с горячим воздухом, оставались взаимозаменяемыми с двигателем Стирлинга , который сам по себе применялся широко и неизбирательно, [43] ситуация, которая продолжается. [44]
Как и паровой двигатель, двигатель Стирлинга традиционно классифицируется как двигатель внешнего сгорания , поскольку вся передача тепла к рабочей жидкости и от нее происходит через твердую границу (теплообменник), тем самым изолируя процесс сгорания и любые загрязняющие вещества, которые он может производить, от рабочих частей двигателя. Это контрастирует с двигателем внутреннего сгорания , где подвод тепла происходит за счет сгорания топлива в теле рабочей жидкости. Большинство из множества возможных реализаций двигателя Стирлинга попадают в категорию поршневых двигателей возвратно-поступательного движения . [ необходима цитата ]
Идеализированный цикл Стирлинга состоит из четырех термодинамических процессов, действующих на рабочее тело:
В идеальном, максимально эффективном двигателе Стирлинга для тепловых резервуаров отношение входящего тепла к исходящему теплу является эффективностью идеального цикла Карно. Это эффективность Карно, которая является отношением температур Кельвина холодного и горячего резервуаров. В идеальном, максимально эффективном цикле Карно изохоры (постоянный объем) заменяются адиабатами (нет чистой теплопередачи, потому что нет теплопередачи). Для идеального цикла Стирлинга любое тепло, поступающее во время изохорного участка, где температура увеличивается, полностью выделяется во время изохорного участка, где температура уменьшается (нет чистой теплопередачи).
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 работу . [2] Внутренний регенеративный теплообменник увеличивает тепловой КПД двигателя Стирлинга по сравнению с более простыми двигателями, работающими на горячем воздухе, в которых эта функция отсутствует.
Двигатель Стирлинга использует разницу температур между горячим и холодным концами для установления цикла фиксированной массы газа, нагреваемого и расширяемого, охлаждаемого и сжимаемого, таким образом преобразуя тепловую энергию в механическую. Чем больше разница температур между горячими и холодными источниками, тем больше тепловой КПД. Максимальный теоретический КПД эквивалентен КПД цикла Карно , но КПД реальных двигателей меньше этого значения из-за трения и других потерь. [ необходима цитата ]
Поскольку двигатель Стирлинга представляет собой замкнутый цикл, он содержит фиксированную массу газа, называемого «рабочей жидкостью», чаще всего это воздух , водород или гелий . При нормальной работе двигатель герметичен, и газ не поступает и не выходит; в отличие от других типов поршневых двигателей, клапаны не требуются. Двигатель Стирлинга, как и большинство тепловых двигателей, циклически проходит четыре основных процесса: охлаждение, сжатие, нагрев и расширение. Это достигается путем перемещения газа вперед и назад между горячими и холодными теплообменниками , часто с регенератором 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 радиатором, таким как воздушные ребра. Изменение температуры газа вызывает соответствующее изменение давления газа, в то время как движение поршня заставляет газ попеременно расширяться и сжиматься. [ необходима цитата ]
Газ следует поведению, описанному законами газа , которые описывают, как связаны давление , температура и объем газа . Когда газ нагревается, давление повышается (потому что он находится в герметичной камере), и это давление затем действует на поршень мощности , производя рабочий ход. Когда газ охлаждается, давление падает, и это падение означает, что поршню нужно выполнить меньше работы, чтобы сжать газ на обратном ходе. Разница в работе между ходами дает чистую положительную выходную мощность. [ необходима цитата ]
Когда одна сторона поршня открыта для атмосферы, работа немного отличается. Когда запечатанный объем рабочего газа приходит в соприкосновение с горячей стороной, он расширяется, выполняя работу как над поршнем, так и над атмосферой. Когда рабочий газ контактирует с холодной стороной, его давление падает ниже атмосферного давления, и атмосфера давит на поршень и выполняет работу над газом. [ необходима цитата ]
В результате работы замкнутого цикла тепло, приводящее в движение двигатель Стирлинга, должно передаваться от источника тепла к рабочей жидкости через теплообменники и, наконец, к радиатору . Система двигателя Стирлинга имеет по крайней мере один источник тепла, один радиатор и до пяти теплообменников. Некоторые типы могут объединять или обходиться без некоторых из них. [ необходима цитата ]
Источником тепла может быть сгорание топлива , и поскольку продукты сгорания не смешиваются с рабочей жидкостью и, следовательно, не контактируют с внутренними частями двигателя, двигатель Стирлинга может работать на топливе, которое может повредить внутренние части других типов двигателей, например, на свалочном газе , который может содержать силоксан , способный осаждать абразивный диоксид кремния в обычных двигателях. [45]
Другие подходящие источники тепла включают концентрированную солнечную энергию , геотермальную энергию , ядерную энергию , отработанное тепло и биоэнергию . Если солнечная энергия используется в качестве источника тепла, можно использовать обычные солнечные зеркала и солнечные тарелки. Использование линз и зеркал Френеля также пропагандировалось, например, при исследовании поверхности планет. [46] Двигатели Стирлинга на солнечных батареях становятся все более популярными, поскольку они предлагают экологически безопасный вариант для производства энергии, в то время как некоторые конструкции экономически привлекательны в проектах по развитию. [47]
Проектирование теплообменников двигателя Стирлинга — это баланс между высокой теплопередачей с низкими потерями вязкости при перекачке и малым мертвым пространством (неохваченным внутренним объемом). 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 ползучести . [ требуется цитата ]
В небольших двигателях малой мощности теплообменники могут просто состоять из стенок соответствующих горячих и холодных камер, но там, где требуются большие мощности, для передачи достаточного количества тепла требуется большая площадь поверхности. Типичные реализации — внутренние и внешние ребра или несколько трубок с малым диаметром для горячей стороны и охладитель, использующий жидкость (например, воду) для холодной стороны. [ необходима цитата ]
В двигателе Стирлинга регенератор представляет собой внутренний теплообменник и временный накопитель тепла, размещенный между горячим и холодным пространствами таким образом, что рабочая жидкость проходит через него сначала в одном направлении, затем в другом, забирая тепло из жидкости в одном направлении и возвращая его в другом. Он может быть таким же простым, как металлическая сетка или пена, и выигрывает от большой площади поверхности, высокой теплоемкости, низкой проводимости и низкого трения потока. [48] Его функция заключается в том, чтобы удерживать внутри системы то тепло, которое в противном случае обменивалось бы с окружающей средой при температурах, промежуточных между максимальной и минимальной температурами цикла, [49] таким образом позволяя тепловой эффективности цикла (хотя и не любого практического двигателя [50] ) приблизиться к предельной эффективности Карно . [ необходима цитата ]
Основной эффект регенерации в двигателе Стирлинга заключается в повышении термического КПД за счет «рециркуляции» внутреннего тепла, которое в противном случае прошло бы через двигатель необратимо . В качестве вторичного эффекта повышенный термический КПД обеспечивает более высокую выходную мощность от заданного набора теплообменников горячего и холодного концов. Они обычно ограничивают тепловую пропускную способность двигателя. На практике эта дополнительная мощность может быть не полностью реализована, поскольку дополнительное «мертвое пространство» (неохваченный объем) и насосные потери, присущие практическим регенераторам, снижают потенциальный прирост эффективности от регенерации. [ необходима цитата ]
Задача проектирования регенератора двигателя Стирлинга заключается в обеспечении достаточной теплопередающей способности без введения слишком большого дополнительного внутреннего объема («мертвого пространства») или сопротивления потоку. Эти присущие конструктивные конфликты являются одним из многих факторов, ограничивающих эффективность практических двигателей Стирлинга. Типичная конструкция представляет собой стопку тонких металлических проволочных сеток с низкой пористостью для уменьшения мертвого пространства и с осями проволок, перпендикулярными потоку газа, для уменьшения проводимости в этом направлении и максимизации конвективной теплопередачи. [51]
Регенератор — это ключевой компонент, изобретенный Робертом Стирлингом , и его наличие отличает настоящий двигатель Стирлинга от любого другого двигателя с замкнутым циклом горячего воздуха . Многие небольшие «игрушечные» двигатели Стирлинга, особенно типы с низкой разницей температур (LTD), не имеют отдельного регенераторного компонента и могут считаться двигателями горячего воздуха; однако небольшая часть регенерации обеспечивается поверхностью самого вытеснителя и близлежащей стенкой цилиндра или, аналогично, проходом, соединяющим горячие и холодные цилиндры двигателя конфигурации альфа. [ необходима цитата ]
Чем больше разница температур между горячей и холодной частями двигателя Стирлинга, тем выше эффективность двигателя. Обычно радиатором является среда, в которой работает двигатель, при температуре окружающей среды. В случае двигателей средней и высокой мощности радиатор требуется для передачи тепла от двигателя в окружающий воздух. Морские двигатели имеют преимущество использования прохладной морской, озерной или речной воды, которая обычно холоднее окружающего воздуха. В случае комбинированных систем теплоснабжения и электроснабжения охлаждающая вода двигателя используется напрямую или косвенно для нагрева, что повышает эффективность. [ требуется цитата ]
В качестве альтернативы тепло может подаваться при температуре окружающей среды, а радиатор может поддерживаться при более низкой температуре с помощью таких средств, как криогенная жидкость (см. Экономия жидкого азота ) или ледяная вода. [ необходима ссылка ]
Вытеснитель — это поршень специального назначения , используемый 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 вытеснитель может быть или не быть герметично прикреплен к цилиндру; то есть он может быть неплотно прилегать к цилиндру, позволяя рабочему газу проходить вокруг него, когда он движется, чтобы занять часть цилиндра за его пределами. Двигатель типа Alpha имеет высокое напряжение на горячей стороне, 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 вытеснителя с меньшим диаметром, чем цилиндр вокруг нее. Степень сжатия немного меньше, чем в оригинальных двигателях типа Alpha, но фактор напряжения довольно низок на герметичных частях. [ необходима цитата ]
Три основных типа двигателей Стирлинга различаются по способу перемещения воздуха между горячей и холодной зонами: [ необходима цитата ]
Альфа-Стирлинг содержит два силовых поршня в отдельных цилиндрах, один горячий и один холодный. Горячий цилиндр расположен внутри высокотемпературного теплообменника , 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. [52] На практике этот поршень обычно несет большую изолирующую головку, чтобы отодвинуть уплотнения от горячей зоны за счет некоторого дополнительного мертвого пространства. Угол поворота коленчатого вала оказывает большое влияние на эффективность, и наилучший угол часто приходится находить экспериментально. Угол в 90° часто блокирует. [ необходима цитата ]
Четырехэтапное описание процесса выглядит следующим образом:
Бета-Стирлинг имеет один силовой поршень, расположенный в том же цилиндре на том же валу, что и поршень-вытеснитель. Поршень-вытеснитель имеет свободную посадку и не извлекает никакой мощности из расширяющегося газа, а служит только для перемещения рабочего газа между горячим и холодным теплообменниками. Когда рабочий газ выталкивается к горячему концу цилиндра, он расширяется и толкает силовой поршень. Когда он выталкивается к холодному концу цилиндра, он сжимается, и импульс машины, обычно усиленный маховиком , толкает силовой поршень в другую сторону, чтобы сжать газ. В отличие от типа альфа, тип бета избегает технических проблем горячих подвижных уплотнений, поскольку силовой поршень не контактирует с горячим газом. [53]
Другие конфигурации Стирлинга продолжают интересовать инженеров и изобретателей. [ необходима цитата ]
Свободнопоршневые двигатели Стирлинга включают двигатели с жидкостными поршнями и двигатели с диафрагмами в качестве поршней. В свободнопоршневом устройстве энергия может добавляться или удаляться электрическим линейным генератором переменного тока , насосом или другим коаксиальным устройством. Это исключает необходимость в связи и уменьшает количество движущихся частей. В некоторых конструкциях трение и износ почти устранены за счет использования бесконтактных газовых подшипников или очень точной подвески через плоские пружины . [ требуется цитата ]
Четыре основных этапа цикла свободнопоршневого двигателя Стирлинга: [ необходима ссылка ]
В начале 1960-х годов Уильям Т. Бил из Университета Огайо, расположенного в Афинах, штат Огайо, изобрел версию двигателя Стирлинга со свободным поршнем, чтобы преодолеть трудности со смазкой кривошипно-шатунного механизма. [59] Хотя изобретение базового двигателя Стирлинга со свободным поршнем обычно приписывается Билу, независимые изобретения подобных типов двигателей были сделаны Э. Х. Куком-Ярборо и К. Уэстом в Harwell Laboratories UK AERE . [60] GM Benson также внес важный ранний вклад и запатентовал множество новых конфигураций со свободным поршнем. [61] [62]
Первое известное упоминание о машине цикла Стирлинга, использующей свободно движущиеся компоненты, было раскрыто в британском патенте в 1876 году. [63] Эта машина была задумана как холодильник (т. е. обратный цикл Стирлинга). Первым потребительским продуктом, использовавшим устройство свободного поршня Стирлинга, был портативный холодильник, произведенный японской корпорацией Twinbird и предложенный в США компанией Coleman в 2004 году. [ необходима цитата ]
Конструкция плоского двигателя Стирлинга двойного действия решает задачу привода вытеснителя за счет того, что площади горячего и холодного поршней вытеснителя различны. [ необходима цитата ]
Привод делает это без какой-либо механической передачи. [ необходима цитата ] Использование диафрагм устраняет трение и необходимость в смазочных материалах. [ необходима цитата ]
При движении вытеснителя генератор удерживает рабочий поршень в предельном положении, что приближает рабочий цикл двигателя к идеальному циклу Стирлинга. [ необходима цитата ] Отношение площади теплообменников к объему машины увеличивается за счет реализации плоской конструкции. [ необходима цитата ]
Плоская конструкция рабочего цилиндра приближает тепловой процесс расширения и сжатия к изотермическому. [ необходима цитата ]
Недостатком является большая площадь теплоизоляции между горячим и холодным пространством. [64]
Термоакустические устройства сильно отличаются от устройств Стирлинга, хотя индивидуальный путь, пройденный каждой рабочей молекулой газа, следует реальному циклу Стирлинга . К этим устройствам относятся термоакустический двигатель и термоакустический холодильник . Высокоамплитудные акустические стоячие волны вызывают сжатие и расширение, аналогичное поршню мощности Стирлинга, в то время как несовпадающие по фазе акустические бегущие волны вызывают смещение вдоль градиента температуры , аналогично поршню вытеснителя Стирлинга. Таким образом, термоакустическое устройство обычно не имеет вытеснителя, как в бета- или гамма-Стирлинге. [ требуется ссылка ]
НАСА рассматривало двигатели Стирлинга, нагреваемые за счет ядерного распада, для длительных миссий во внешнюю часть Солнечной системы. [65] В 2018 году НАСА и Министерство энергетики США объявили, что они успешно испытали новый тип ядерного реактора под названием KRUSTY , что означает «Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY» («Реактор киломощности с использованием технологии Стирлинга»), который предназначен для обеспечения энергией космических аппаратов и зондов, а также экзопланетных лагерей. [66]
На выставке Cable-Tec Expo 2012, организованной Обществом инженеров кабельной связи, Дин Камен вышел на сцену вместе с главным техническим директором Time Warner Cable Майком ЛаДжойе, чтобы объявить о новой инициативе между его компанией Deka Research и SCTE. Камен называет ее двигателем Стирлинга. [67] [68]
Были построены двигатели очень малой мощности, которые работают при разнице температур всего лишь в 0,5 К. [69] Двигатель Стирлинга вытеснительного типа имеет один поршень и один вытеснитель. Для работы двигателя требуется разница температур между верхней и нижней частью большого цилиндра. В случае двигателя Стирлинга с низкой разницей температур (LTD) разница температур между рукой и окружающим воздухом может быть достаточной для работы двигателя. [70] Силовой поршень в двигателе Стирлинга вытеснительного типа плотно запечатан и управляется для перемещения вверх и вниз по мере расширения газа внутри. Вытеснитель, с другой стороны, очень свободно установлен, так что воздух может свободно перемещаться между горячей и холодной секциями двигателя, когда поршень движется вверх и вниз. Вытеснитель движется вверх и вниз, заставляя большую часть газа в цилиндре вытеснителя либо нагреваться, либо охлаждаться. [ необходима цитата ]
Двигатели Стирлинга, особенно те, которые работают при небольших перепадах температур, довольно велики для той мощности, которую они производят (т. е. имеют низкую удельную мощность ). Это в первую очередь связано с коэффициентом теплопередачи газовой конвекции, который ограничивает тепловой поток , который может быть достигнут в типичном холодном теплообменнике, примерно до 500 Вт/(м2 · К), а в горячем теплообменнике — примерно до 500–5000 Вт/(м2 · К). [71] По сравнению с двигателями внутреннего сгорания, это усложняет для конструктора двигателя передачу тепла в рабочий газ и из него. Из-за теплового КПД требуемая теплопередача растет с меньшей разницей температур, а поверхность теплообменника (и стоимость) для 1 кВт выходной мощности растет с (1/ΔT) 2 . Поэтому удельная стоимость двигателей с очень низкой разницей температур очень высока. Увеличение перепада температур и/или давления позволяет двигателям Стирлинга вырабатывать больше мощности, при условии, что теплообменники рассчитаны на повышенную тепловую нагрузку и могут обеспечить необходимый конвекционный тепловой поток.
Двигатель Стирлинга не может запуститься мгновенно; ему буквально нужно «прогреться». Это справедливо для всех двигателей внешнего сгорания, но время прогрева для Стирлингов может быть больше, чем для других двигателей этого типа, таких как паровые двигатели . Двигатели Стирлинга лучше всего использовать в качестве двигателей с постоянной скоростью.
Выходная мощность Стирлинга, как правило, постоянна, и для ее регулировки иногда может потребоваться тщательное проектирование и дополнительные механизмы. Обычно изменения выходной мощности достигаются путем изменения рабочего объема двигателя (часто за счет использования коленчатого вала с наклонной шайбой ), или путем изменения количества рабочей жидкости, или путем изменения фазового угла поршня/вытеснителя, или в некоторых случаях просто путем изменения нагрузки двигателя. Это свойство является меньшим недостатком в гибридной электрической тяге или генерации коммунальных услуг с «базовой нагрузкой», где постоянная выходная мощность на самом деле желательна.
Используемый газ должен иметь низкую теплоемкость , чтобы заданное количество переданного тепла приводило к большому увеличению давления. Принимая во внимание этот вопрос, гелий был бы лучшим газом из-за его очень низкой теплоемкости. Воздух является жизнеспособной рабочей жидкостью, [72] но кислород в воздушном двигателе под высоким давлением может стать причиной смертельных случаев, вызванных взрывами смазочного масла. [73] После одной такой аварии Philips стала пионером в использовании других газов, чтобы избежать такого риска взрывов.
В большинстве высокомощных двигателей Стирлинга и минимальное давление, и среднее давление рабочей жидкости превышают атмосферное давление. Это начальное повышение давления двигателя может быть реализовано насосом, или путем заполнения двигателя из баллона со сжатым газом, или даже просто путем герметизации двигателя, когда средняя температура ниже средней рабочей температуры . Все эти методы увеличивают массу рабочей жидкости в термодинамическом цикле. Все теплообменники должны быть правильно подобраны по размеру, чтобы обеспечить необходимую скорость теплопередачи. Если теплообменники хорошо спроектированы и могут обеспечить тепловой поток, необходимый для конвективной теплопередачи , то двигатель в первом приближении вырабатывает мощность пропорционально среднему давлению, как предсказывают числа Веста и Била . На практике максимальное давление также ограничено безопасным давлением сосуда под давлением . Как и большинство аспектов конструкции двигателя Стирлинга, оптимизация является многовариантной и часто имеет противоречивые требования. [71] Сложность повышения давления заключается в том, что, хотя оно и повышает мощность, требуемое тепло увеличивается пропорционально увеличенной мощности. Такая передача тепла становится все более затруднительной при повышении давления, поскольку повышенное давление также требует увеличения толщины стенок двигателя, что, в свою очередь, увеличивает сопротивление передаче тепла. [ необходима цитата ]
При высоких температурах и давлениях кислород в картерах под давлением воздуха или в рабочем газе двигателей горячего воздуха может соединиться со смазочным маслом двигателя и взорваться. По крайней мере один человек погиб в результате такого взрыва. [73] Смазочные материалы также могут засорять теплообменники, особенно регенератор. По этим причинам конструкторы предпочитают несмазанные материалы с низким коэффициентом трения (такие как рулон или графит ), с низкими нормальными силами на движущихся частях, особенно для скользящих уплотнений. Некоторые конструкции вообще избегают скользящих поверхностей, используя диафрагмы 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. [ необходима цитата ]
Теоретический тепловой КПД равен идеальному циклу Карно , т. е. наивысшему КПД, достижимому любым тепловым двигателем. Однако, хотя он полезен для иллюстрации общих принципов, практические двигатели Стирлинга существенно отклоняются от идеала. [75] [76] Утверждалось, что его беспорядочное использование во многих стандартных книгах по инженерной термодинамике оказало плохую услугу изучению двигателей Стирлинга в целом. [77] [78]
Двигатели Стирлинга не могут достичь общей эффективности, типичной для двигателя внутреннего сгорания , главным ограничением является тепловой КПД. Во время внутреннего сгорания температуры достигают около 1500 °C–1600 °C в течение короткого периода времени, что приводит к большей средней температуре подачи тепла термодинамического цикла, чем может достичь любой двигатель Стирлинга. Невозможно подавать тепло при таких высоких температурах с помощью теплопроводности, как это делается в двигателях Стирлинга, потому что ни один материал не может проводить тепло от сгорания при такой высокой температуре без огромных тепловых потерь и проблем, связанных с тепловой деформацией материалов. [ необходима цитата ]
Двигатели Стирлинга способны работать бесшумно и могут использовать практически любой источник тепла. Источник тепловой энергии генерируется снаружи двигателя Стирлинга, а не за счет внутреннего сгорания, как в двигателях с циклом Отто или циклом Дизеля . Этот тип двигателя в настоящее время вызывает интерес как основной компонент микроблоков комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ), в которых он более эффективен и безопасен, чем сопоставимый паровой двигатель. [79] [80] Однако он имеет низкое отношение мощности к весу , [81] что делает его более подходящим для использования в статических установках, где пространство и вес не имеют большого значения.
Другие реальные проблемы снижают эффективность реальных двигателей из-за ограничений конвективного теплообмена и вязкого течения (трения). 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 неидеальные свойства рабочего газа, теплопроводность , прочность на растяжение , ползучесть , прочность на разрыв и температура плавления . Часто возникает вопрос, является ли идеальный цикл с изотермическим расширением и сжатием на самом деле правильным идеальным циклом для применения к двигателю Стирлинга. Профессор CJ Rallis указал, что очень трудно представить себе какие-либо условия, при которых пространства расширения и сжатия могут приближаться к изотермическому поведению, и гораздо более реалистично представить эти пространства как адиабатические . [82] Идеальный анализ, в котором пространства расширения и сжатия принимаются адиабатическими с изотермическими теплообменниками и идеальной регенерацией, был проанализирован Раллисом и представлен как лучший идеальный критерий для машин Стирлинга. Он назвал этот цикл «псевдоциклом Стирлинга» или «идеальным адиабатическим циклом Стирлинга». Важным следствием этого идеального цикла является то, что он не предсказывает эффективность Карно. Дальнейший вывод этого идеального цикла заключается в том, что максимальная эффективность обнаруживается 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 [83]
Идеальный цикл Стирлинга недостижим в реальном мире, как и в случае с любым тепловым двигателем. Эффективность машин Стирлинга также связана с температурой окружающей среды: более высокая эффективность достигается при более прохладной погоде, что делает этот тип двигателя менее привлекательным в местах с более теплым климатом. Как и другие двигатели внешнего сгорания, двигатели Стирлинга могут использовать другие источники тепла, помимо сжигания топлива. Например, были разработаны различные конструкции двигателей Стирлинга, работающих на солнечной энергии .
В отличие от двигателей внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга имеют потенциал для более легкого использования возобновляемых источников тепла , а также для того, чтобы быть тише и надежнее при меньшем обслуживании. Они предпочтительны для приложений, которые ценят эти уникальные преимущества, особенно если стоимость за единицу вырабатываемой энергии важнее, чем капитальные затраты на единицу мощности. На этой основе двигатели Стирлинга являются конкурентоспособными по стоимости до примерно 100 кВт. [84]
По сравнению с двигателем внутреннего сгорания той же мощности, двигатели Стирлинга в настоящее время имеют более высокую капитальную стоимость и обычно больше и тяжелее. Однако они более эффективны, чем большинство двигателей внутреннего сгорания. [85] Их более низкие требования к техническому обслуживанию делают общую стоимость энергии сопоставимой. Тепловой КПД также сопоставим (для небольших двигателей), в пределах от 15% до 30%. [84] Для таких применений, как микро-ТЭЦ , двигатель Стирлинга часто предпочтительнее двигателя внутреннего сгорания. Другие применения включают перекачку воды , космонавтику и генерацию электроэнергии из обильных источников энергии, которые несовместимы с двигателем внутреннего сгорания, таких как солнечная энергия и биомасса , такая как сельскохозяйственные отходы и другие отходы , такие как бытовые отходы. Однако двигатели Стирлинга, как правило, не являются ценовыми конкурентоспособными в качестве автомобильного двигателя из-за высокой стоимости за единицу мощности и низкой плотности мощности . [ необходима ссылка ]
Базовый анализ основан на анализе Шмидта в замкнутой форме. [86] [87]
Преимущества двигателей Стирлинга по сравнению с двигателями внутреннего сгорания включают в себя:
К недостаткам двигателей Стирлинга по сравнению с двигателями внутреннего сгорания относятся:
Применение двигателя Стирлинга варьируется от нагрева и охлаждения до подводных энергетических систем. Двигатель Стирлинга может работать в обратном направлении как тепловой насос для нагрева или охлаждения. Другие области применения включают комбинированное производство тепла и электроэнергии, солнечную энергетику, криоохладители Стирлинга, тепловой насос, морские двигатели, маломощные двигатели для моделей самолетов [90] и двигатели с низкой разницей температур.
Котел основан на двигателе Стирлинга, придуманном шотландским изобретателем Робертом Стирлингом в 1816 году. [...] Техническое название, данное этому конкретному применению, — Микрокомбинированное производство тепла и электроэнергии или МикроТЭЦ.
