КПД цикла Стирлинга

Введение

На рубеже веков человечество смотрит в будущее с надеждой. Надежда эта вполне оправдана: ученая мысль не стоит на месте, напротив, предлагает все новые и новые  разработки, внедряя в нашу жизнь  все более экономичные, экологически безопасные и перспективные технологии.

В полной мере это касается альтернативного двигателестроения  и использования так называемых "новых" альтернативных видов  топлива: ветра, солнца, воды и других источников энергии.

Двигатели - сердце современной  цивилизации. Они обеспечивают рост производства, сокращают расстояния. Благодаря им человек получает энергию, свет, тепло, информацию, Наиболее распространенные в настоящее время двигатели  внутреннего сгорания имеют ряд  существенных недостатков: их работа сопровождается шумом, вибрациями, они выделяют вредные  отработавшие газы и потребляют много  топлива. Известен класс двигателей, вред от которых минимален, - это  двигатели Стирлинга. Они работают по замкнутому циклу, без непрерывных  микровзрывов в рабочих цилиндрах, практически без выделения вредных  газов, да и топлива им требуется  значительно меньше.

Двигатель Стирлинга был  изобретен 21 сентября 1816г. в Эдинбурге, столице Шотландии Робертом Стирлингом. Это было приблизительно за 80 лет  до дизеля, и поэтому двигатель  Стирлинга пользовался значительной популярностью да начала ХХ века.

В 1816 году Стирлинг получил  патент на «машину, которая производит движущую силу посредством нагретого  воздуха». В 1827 и 1840 годах он получает еще два патента на усовершенствованные  варианты своей машины. А в 1845 году на литейном заводе в Дании была пущена машина Стирлинга мощностью 50 индикаторных лошадиных сил, проработавшая  в течение трех лет.

Долгое время после  этого Двигатели Стирлинга не строились. И только в 1890 году было выпущено несколько образцов таких машин  малой мощности. С конца XIX века, в  связи с успехами в развитии двигателей внутреннего сгорания и отсутствия подходящих конструкционных материалов в значительной степени затруднило его дальнейшее совершенствование, интерес к двигателю Стирлинга  утратился окончательно, и только с 1938 года началось ее возрождение. В 50-е  годы ХХ века быстрое развитие технологии производства различных материалов вновь открыло перед двигателем Стирлинга некоторые перспективы, однако настоящий интерес к нему возродился только во времена так  называемого "«энергетического кризиса». Именно тогда особенно привлекательными показались потенциальные возможности  этого двигателя в отношении  экономического потребления обычного жидкого топлива, что представлялось особенно важным в период роста цен  на топливо в геометрической прогрессии.

 

1. Что представляет  собой двигатель Стирлинга?

Двигатель Стирлинга - это  машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в которой циклические  процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения  его объема. Работа двигателей характеризуется

• Высокими значениями среднего давления газа;
• Свободным от масла рабочим пространством;
• Отсутствием клапанного механизма;
• Передачей тепла через стенки цилиндра или теплообменник.

Данное определение является обобщенным для большого семейства  машин Стирлинга, различающихся  по своим функциям, характеристикам  и конструктивным схемам. Эти двигатели  могут быть роторными и поршневыми различной степени сложности. Указанные  машины способны работать как двигатели, тепловые насосы, холодильные установки  и генераторы давления. Вместе с  тем, существуют машины, работающие по открытому циклу, в которых управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов. Такие машины более точно могут быть названы  двигателями Эриксона - по имени  изобретателя.

Между двумя типами этих машин, как правило, не делается никакого различия, поэтому название "двигатель  Стирлинга" употребляется для  всех без исключения регенеративных машин.

Двигатель Стирлинга представляет собой преобразователь энергии, относящийся к типу тепловых двигателей, совершающих механическую работу на выходном валу при подводе к ним  тепловой энергии. Полезная работа в  рабочем цикле Стирлинга совершается, как и в других тепловых двигателях, посредством сжатия рабочего тела (гелий, водород) при низкой температуре  и расширения того же рабочего тела после нагрева при более высокой  температуре. Основные термодинамические  процессы, протекающие в обычных  тепловых двигателях: сжатие газа, поглощение тепла, расширение газа и отвод тепла, легко различимы и в цикле  двигателя Стирлинга, однако имеется  радикальное различие в том, как  протекает процесс поглощения тепла  в двигателе внутреннего сгорания (ДВС).

В ДВС распыленное топливо  соединяется с окислителем, как  правило воздухом, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь отдает свою энергию во время кратковременной фазы горения (сгорания), в то время как в двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник (Схема 1) . Еще одним существенным различием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов или отверстий для впуска и выпуска, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя.

Скорость двигателя Стирлинга  можно регулировать, изменяя количество газа в двигателе или величину среднего давления. Применяя эти средства регулирования скорости, необходимо предусмотреть клапанный механизм с соответствующей системой патрубков, примыкающих к цилиндрам, но не составляющих с ними одно целое. При этом клапанный механизм имеет другое назначение и другие характеристики по сравнению с клапанным механизмом двигателя внутреннего сгорания.

Работа двигателя Стирлинга  по замкнутому циклу определяет как  его преимущества, так и недостатки. Например, поскольку рабочее газообразное тело постоянно находится в полости  двигателя, отвод неиспользованного  тепла в атмосферу полностью  осуществляется через теплообменник, в то время как в двигателях, работающих по незамкнутому циклу, производится также выпуск горячих газов из цилиндров. Поэтому по сравнению  с двигателем внутреннего сгорания двигателю Стирлинга требуется  более развитая система охлаждения, как это видно из структуры  энергетического баланса (Схема 2). В  системах, предназначенных для транспортных средств, где экономия занимаемого  двигателем объема является определяющим фактором, необходимость использования  радиатора с увеличенным рабочим  объёмом является недостатком, в  то же время это может стать  преимуществом в системах, потребляющих всю энергию, и в тепловых насосах, где холодильник больших размеров может увеличить КПД системы.

Отсутствие клапанов в  основном корпусе двигателя Стирлинга  существенно и работа без периодических  взрывов означают, что устранены  основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно  менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии  с возвратно-поступательным движением, и тем самым более приемлемым с точки зрения социальных требований, а также перспективным для  применения в военных целях.

Хотя двигатель Стирлинга  и получает энергию извне, его  нельзя с достаточной строгостью назвать двигателем внешнего сгорания, поскольку любой источник тепла  с подходящей температурой, например сфокусированная солнечная энергий, аккумулированная тепловая энергия, тепловая энергия, выделяющая при горении  металла, ядерная энергия и т.п. может быть использована для этой цели. В настоящее время в большинстве  установок с двигателями Стирлинга  применяется жидкое топливо из-за простоты его использования и  из-за требований, обусловленных конкретным назначением установки.

В двигателях Стирлинга применяются  регенеративные теплообменники (регенераторы), размещенные в каналах, по которым  газ перемещается между горячей  и холодной зонами двигательной установки. Функцией регенератора является попеременное накопление и возвращение части  тепловой энергии, полученной в рабочем  цикле двигателя. Передача энергии  пульсирующему газовому потоку должна происходить таким образом, чтобы  свести к минимуму подвод тепла к  установке и в то же время поддерживать на заданном уровне мощность, снимаемую  с вала. Результатом действия регенератора является возрастание КПД цикла, поэтому теплообменник такого типа - существенный элемент любого двигателя Стирлинга, рассчитанного на практическое применение.

Таким образом, правильнее определить двигатель Стирлинга как тепловой двигатель, работающий по замкнутому регенеративному  циклу (Схема 3). В основе конструкции  двигательной установки Стирлинга  лежат принцип разделения горячей  и холодной рабочих полостей и  способ, с помощью которого рабочее  тело направляется из одной полости  в другую. Управлять эти потоком, искусственно поддерживая разность давлений в полостях, нежелательно, поскольку энергия, вырабатываемая двигателем Стирлинга, почти прямо  пропорциональна давлению цикла, и, следовательно, падение давления уменьшает  величину полезной механической работы, совершаемой двигателем. Поэтому  для создания необходимых газовых  потоков используют изменение физических объемов горячей и холодной рабочих  полостей. Естественно предположить, что для этой цели требуется система  поршень - цилиндр, а не система турбина - сопло. Особенно подходит такая система  для создания возвратно-поступательного  движения, хотя можно предположить, что роторный двигатель типа двигателя  Ванкеля также пригоден для реализации принципа Стирлинга. Все двигатели Стирлинга, как уже сконструированные, так и разрабатываемые, основаны на принципе возвратно-поступательного движения. Имеются различные способы осуществления такой формы движения, и именно это помогает классифицировать различные типы двигателей Стирлинга.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Рабочие характеристики и особенности конструкции

1.Мощность, вырабатываемая  двигателем Стирлинга, как

показывает практика, почти  прямо пропорциональна среднему давлению цикла. Поэтому, чтобы получить высокие значения абсолютной и удельной мощности, давление в двигателе должно составлять 10-20 МПа. Такие высокие  значения давления создают специфические  проблемы при проектировании двигателей. Особую трудность представляет решение  проблем, связанных с

- герметизацией рабочего  тела;

- напряжениями в теплообменнике;

- нагрузками на подшипники  и детали механизма привода.

Поскольку величина давления влияет на развиваемую мощность, управление изменением давления позволяет регулировать крутящий момент двигателя.

2. КПД двигателя Стирлинга  может достигать 65-70% КПД цикла  Карно при современном уровне  проектирования и технологии  изготовления. КПД двигателя почти  не зависит от скорости двигателя  при условии, что температура  в трубках нагревателя не изменяется  во всем диапазоне рабочих  режимов двигателя и температура  в холодильнике не возрастает. Температуру в трубках нагревателя  следует поддерживать на возможно  более высоком уровне. При повышении  температуры охлаждающей жидкости  на один градус КПД двигателя  падает на 0,5%. Вследствие непрерывного  воздействия высоких температур  для обеспечения длительного  срока службы требуются высококачественные  сплавы.

3. Нерабочие объемы в  двигателе Стирлинга теоретически  могут быть сведены к нулю, однако на практике они достигают  50% внутреннего объема, занимаемого  газом. Такая величина мертвого  объема необходима для размещения  теплообменника и обеспечения  достаточной площади поверхности  теплообмена. Мертвый объем снижает  выходную мощность двигателя;  влияние же его величины на  КПД двигателя неоднозначно и  зависит от местоположения этого  объема. Изменением мертвого объема  при работе двигателя можно  регулировать вырабатываемую мощность.

4. С увеличением рабочего  объема возрастает выходная мощность  двигателя при условии, что  давление и температура постоянны. Не существует никакой эмпирической зависимости, связывающей рабочий объем и выходную мощность. Заданный рабочий объем обеспечивается при отношении диаметра цилиндра к ходу поршня, близком к 2, что дает оптимальное соотношение между потерями на теплопередачу и на трение в уплотнениях.

5. С ростом скорости  двигателя потери на сопротивление  газа приобретают решающее значение, поскольку они пропорциональны  квадрату скорости. Для уменьшения  этих потерь в качестве рабочего  тела используют газы с малой  молекулярной массой, такие, как  гелий и водород.

6. Для обеспечения стабильности  выходной мощности изменения  объема полости расширения должны  опережать изменения объема полости  сжатия. Для получения оптимальной  выходной мощности это опережение  должно соответствовать фазовому  углу 90.