Цикл Стирлинга — это термодинамический цикл , описывающий общий класс устройств Стирлинга. Сюда входит оригинальный двигатель Стирлинга , который был изобретен, разработан и запатентован в 1816 году Робертом Стирлингом с помощью его брата- инженера . [1]
Идеальные циклы Отто и Дизеля не являются полностью обратимыми, поскольку они включают передачу тепла посредством конечной разницы температур во время необратимых изохорных / изобарных процессов присоединения и отдачи тепла. Необратимость делает тепловой КПД этих циклов меньшим, чем у двигателя Карно, работающего в тех же пределах температуры. Другим циклом, в котором присутствуют изотермические процессы присоединения и отвода тепла, является цикл Стирлинга, который представляет собой измененную версию цикла Карно, в котором два изоэнтропических процесса, представленные в цикле Карно, заменяются двумя процессами регенерации постоянного объема.
Цикл обратим, что означает, что при подаче механической энергии он может функционировать как тепловой насос для нагрева или охлаждения и даже для криогенного охлаждения. Цикл определяется как закрытый регенеративный цикл с газообразным рабочим телом. «Замкнутый цикл» означает, что рабочая жидкость постоянно содержится внутри термодинамической системы . Это также относит устройство двигателя к внешнему тепловому двигателю . «Регенеративный» означает использование внутреннего теплообменника, называемого регенератором, который увеличивает тепловой КПД устройства .
Этот цикл такой же, как и большинство других тепловых циклов, поскольку существует четыре основных процесса: сжатие, подвод тепла, расширение и отвод тепла. Однако эти процессы не дискретны, а скорее перекрываются переходами.
Цикл Стирлинга — это очень сложная тема, которая не поддается анализу многими экспертами на протяжении более 190 лет. Для описания цикла необходима высокоразвитая термодинамика. Профессор Исраэль Уриэли пишет: «...различные «идеальные» циклы (такие как цикл Шмидта) не являются ни физически реализуемыми, ни репрезентативными для цикла Стирлинга». [2]
Аналитическая проблема регенератора ( центрального теплообменника в цикле Стирлинга) оценивается Якобом как «одна из самых сложных и сложных, которые встречаются в технике». [3] [4]
Идеализированный цикл Стирлинга [5] состоит из четырех термодинамических процессов , действующих на рабочее тело (см. диаграмму справа):
В большинстве учебников по термодинамике описывается сильно упрощенная форма цикла Стирлинга, состоящая из четырех процессов. Это известно как «идеальный цикл Стирлинга», поскольку это «идеализированная» модель, а не обязательно оптимизированный цикл. Теоретически «идеальный цикл» действительно имеет высокую полезную производительность, но он редко используется в практических приложениях, отчасти потому, что другие циклы проще или снижают пиковые нагрузки на подшипники и другие компоненты. Для удобства проектировщик может использовать движения поршня, диктуемые динамикой системы, например механизмы механической связи. В любом случае, эффективность и мощность цикла почти так же хороши, как и реальная реализация идеализированного случая. Типичный поршневой кривошип или рычажный механизм так называемой «кинематической» конструкции часто приводит к почти синусоидальному движению поршня. В некоторых конструкциях поршень «застревает» в любом крайнем положении хода.
Многие кинематические связи, такие как хорошо известное «ярмо Росса», будут демонстрировать движение, близкое к синусоидальному. Однако другие связи, такие как « ромбический привод », будут демонстрировать более несинусоидальное движение. В меньшей степени идеальный цикл вносит осложнения, так как требует несколько большего ускорения поршня и более высоких вязкостных потерь на перекачку рабочей жидкости. Однако напряжения материала и насосные потери в оптимизированном двигателе будут невыносимыми только при приближении к «идеальному циклу» и/или при высоких скоростях цикла. Другие проблемы включают время, необходимое для теплопередачи, особенно для изотермических процессов . В двигателе с циклом, приближающимся к «идеальному циклу», для решения этих проблем, возможно, придется уменьшить частоту циклов.
В самой базовой модели устройства со свободным поршнем кинематика приводит к простому гармоническому движению .
В бета- и гамма-двигателях, как правило, разность фазовых углов между движениями поршня не совпадает с фазовым углом изменений объема. Однако в альфе Стирлинга они такие же. [6] В оставшейся части статьи предполагается синусоидальное изменение объема, как в альфа-устройстве Стирлинга с коллинеарными поршнями, так называемом альфа-устройстве с «оппозитным поршнем».
Предостережение: среди множества неточностей в этой статье выше упоминается коллинеарная альфа-конфигурация. Такая конфигурация будет бета-версией. В качестве альтернативы это может быть альфа с неприемлемо неэффективной системой связей.
Этот тип графика используется для характеристики почти всех термодинамических циклов. Результатом синусоидальных изменений объема является цикл квазиэллиптической формы, показанный на рисунке 1. По сравнению с идеализированным циклом этот цикл является более реалистичным представлением большинства реальных двигателей Стирлинга. Четыре точки на графике обозначают угол поворота коленвала в градусах . [7]
Адиабатический цикл Стирлинга подобен идеализированному циклу Стирлинга; однако четыре термодинамических процесса немного отличаются (см. график выше):
За исключением термоакустического двигателя Стирлинга , ни одна из частиц газа фактически не проходит полный цикл. Поэтому такой подход не поддается дальнейшему анализу цикла. Однако он дает обзор и указывает на работу цикла.
На рисунке 2 показаны линии , показывающие, как газ протекает через реальный двигатель Стирлинга. Вертикальные цветные линии обозначают объемы двигателя. Слева направо это: объем, охваченный расширительным (силовым) поршнем, зазорный объем (предохраняющий поршень от контакта с горячим теплообменником), нагреватель, регенератор, охладитель, зазорный объем охладителя и объем сжатия, охватываемый поршнем сжатия.
Падения давления, показанные на рисунке 3, также называемые «насосными потерями», вызваны вязким потоком через теплообменники. Красная линия обозначает нагреватель, зеленая — регенератор, синяя — охладитель. Для правильного проектирования теплообменников необходима многомерная оптимизация для получения достаточной теплопередачи с приемлемыми потерями потока. [6] Показанные здесь потери потока относительно невелики и едва заметны на следующем изображении, которое показывает общие изменения давления в цикле.
На рисунке 4 показаны результаты «адиабатического моделирования» с неидеальными теплообменниками. Обратите внимание, что падение давления в регенераторе очень мало по сравнению с общим изменением давления в цикле.
Рисунок 5 иллюстрирует адиабатические свойства реального теплообменника. Прямые линии представляют температуры твердой части теплообменника, а кривые — температуры газа в соответствующих пространствах. Колебания температуры газа вызваны эффектами сжатия и расширения в двигателе, а также неидеальными теплообменниками, имеющими ограниченную скорость теплопередачи . Когда температура газа отклоняется выше и ниже температуры теплообменника, это вызывает термодинамические потери, известные как «потери теплопередачи» или «потери на гистерезис». Тем не менее, теплообменники по-прежнему работают достаточно хорошо, чтобы обеспечить эффективность реального цикла, даже если фактический тепловой КПД всей системы составляет лишь около половины теоретического предела .
На рисунке 6 показан график данных двигателя Стирлинга альфа-типа, где «Q» обозначает тепловую энергию, а «W» обозначает рабочую энергию. Синяя пунктирная линия показывает результаты работы пространства сжатия. Когда след опускается вниз, над газом при его сжатии совершается работа. В процессе расширения цикла на поршне сжатия фактически совершается некоторая работа, о чем свидетельствует движение следа вверх. В конце цикла это значение отрицательное, что указывает на то, что поршень сжатия требует чистой работы. Синяя сплошная линия показывает тепло, выходящее из более холодного теплообменника. Тепло от охладителя и работа поршня сжатия имеют одинаковую энергию цикла. Это соответствует нулевой чистой теплопередаче регенератора (сплошная зеленая линия). Как и следовало ожидать, нагреватель и пространство расширения имеют положительный поток энергии. Черная пунктирная линия показывает чистый объем работы цикла. На этой трассе цикл заканчивается выше, чем начался, что указывает на то, что тепловая машина преобразует энергию тепла в работу.