Mașini Stirling - l
În secolul XIX inginerii dorit să creeze o alternativă mai sigură la abur motoare de timp, ale căror cazane de multe ori a explodat din cauza aburului de înaltă presiune și materiale neadecvate în structura lor. O bună alternativă la motoarele cu abur a apărut cu crearea de motoare Stirling, care ar putea fi modificate pentru a lucra orice diferență de temperatură. Principiul de bază al motorului Stirling alternează în mod constant încălzirea și răcirea fluidului de lucru într-un cilindru închis. De obicei, aerul servește rolul fluidului de lucru. dar, de asemenea, folosește hidrogen și heliu. Mai multe probe experimentale au fost testate freon, dioxid de azot, lichid propan-butan si apa. În acest ultim caz, apa rămâne în stare lichidă în toate domeniile ciclului termodinamic. Stirling caracteristică a fluidului de lucru lichid este de dimensiuni mici, de mare densitate de putere și presiuni ridicate de funcționare.
De la termodinamica este cunoscut faptul că o presiune. temperatura si volumul de gaz sunt interconectate și urmeze legea gazelor ideale.
unde P - Presiune gaz
V - Volumul de gaz
n - numărul de moli de gaz
R - constanta universală a gazelor
Temperatura gazului în grade Kelvin - T
Aceasta înseamnă că încălzirea gazului mărește volumul, iar după răcire - este redusă. Această proprietate de gaz este baza de funcționare a motorului Stirling.
Motorul Stirling utilizează un ciclu Stirling. care nu este inferior randamentului termodinamic al ciclului Carnot. și chiar are avantajul. Faptul că ciclul Carnot este format din câteva izoterme diferite și încălziri. Implementarea practică a acestui ciclu nepromițător. ciclu Stirling este permis să primească practic operarea motorului în interiorul dimensiuni acceptabile. Ciclul Stirling este format din patru faze și împărțit de două faze de tranziție: de încălzire, de expansiune, de tranziție la rece sursă, răcire, comprimarea și trecerea la sursa de căldură. Astfel, în timpul tranziției de la sursa caldă la sursa rece se extinde și comprimarea gazului din cilindru. Volumele diferență de gaz pot fi transformate în muncă, exact ceea ce motorul Stirling. Mai jos este un ciclu de lucru al motorului de tip β Stirling
unde: a - un piston de deplasare; b - pistonul de lucru; cu - o volantă; d - foc (regiune de încălzire); e - răcire aripioare (zonă de răcire);
1) Sursa de căldură externă încălzește gazul din partea de jos a cilindrului de schimb de căldură. presiune generată împinge pistonul de lucru în sus (de notat că un piston de deplasare este montat liber pe pereții).
2) un volant deplasare împinge pistonul în jos, deplasând astfel aerul încălzit din partea inferioară a camerei de răcire.
3) Aerul se răcește și se contractă, pistonul se deplasează în jos.
4) deplasarea crește cu piston, deplasând astfel aerul răcit în partea inferioară. Și ciclul se repetă.
Mișcarea mașinii Stirling a pistonului de lucru este deplasat cu 90 de grade în raport cu cursa pistonului de deplasare. În funcție de semnul deplasarea mașinii poate fi un motor sau o pompă de căldură. În cazul în care trecerea de la 0 mașină nu face nici o lucrare (cu excepția pierderilor de frecare) și nu produce.
configurație
Motoarele Stirling Inginerii sunt împărțite în trei tipuri diferite:
- Alpha Stirling conține două pistoane separate de putere în cilindri separate. Un piston - cald, celălalt - se răcească. Cilindru cu piston este în schimbătorul de căldură la cald, la o temperatură mai ridicată, în timp ce pistonul cilindrului rece este într-un schimbător de căldură rece. In acest tip de putere a motorului la raportul de volum este suficient de mare, dar, din păcate, Alpha Stirling o serie de probleme tehnice cauzate de temperatură ridicată piston „la cald“ și izolația.
O vedere în secțiune schematică a unui Beta stirlinga mecanism rombic
cavitate cilindru fierbinte, Gri închis - - roz cavitatea cilindrului rece (display-uri galben care alimentează și evacuează conductele de răcire) de culoare verde închis - căptușeala izolatoare termic între diferitele capetele cilindrului, verde închis - Albastru piston - piston de lucru, albastru - volanți
Nu se arată: sisteme de încălzire externă și un cooler extern. În această structură, pistonul-configurat fără o deplasare regenerator.
- motor Stirling Beta au butelie de tip beta este doar unul, la cald la un capăt și celălalt rece. In interiorul cilindrului se deplasează pistonul (din care puterea este îndepărtată) și „deplasare“, care modifică cantitatea de cavitate fierbinte. Gazul este pompat de la capătul rece al cilindrului prin regeneratorul fierbinte. Regeneratorul poate fi o parte exterioară a schimbătorului de căldură, sau combinată cu un piston piston auxiliar.
- Gamma Stirling Y tip gamma, de asemenea, un piston și „propulsor“, dar în acest caz, cei doi cilindri - una rece (se deplasează un piston din care este eliminat puterea), iar a doua la cald la un capăt și la rece pe de altă parte ( „dislocuitori“ acolo mută) . Regenerator conectează partea fierbinte a doilea cilindru să se răcească și simultan cu primul cilindru (rece).
deficiențe
Principalul dezavantaj al motorului - consumul de materiale.
În general, motoarele cu ardere externă, în special mediu de lucru a motorului Stirling să fie răcite, iar acest lucru conduce la o creștere substanțială a parametrilor de greutate și dimensiuni ale centralei datorita radiatoarelor crescute.
Pentru performanțe, competitive în comparație cu ICE este necesar să se aplice o presiune ridicată (peste 100 atm) și tipurile specifice ale fluidului de lucru - hidrogen, heliu. Căldură nu este livrat fluidul de lucru în mod direct, ci numai prin peretele schimbătorului de căldură. Pereții au o conductivitate termică limitată, motiv pentru care randamentul este mai mic decât ar fi de așteptat. teplobmennik fierbinte de lucru într-o condiții de căldură foarte intense, și la presiuni foarte mari, care necesită utilizarea de înaltă calitate și materiale scumpe. Un schimbător de căldură, care să satisfacă cerințele contradictorii este foarte dificil. Zona mai mare de schimb de căldură, cea mai mică pierdere de căldură. Astfel, creșterea dimensiunii și volumului schimbătorului de căldură fluid de lucru care nu participă la lucrările.
Deoarece sursa de căldură este dispus în exteriorul motorului reacționează lent la schimbările din fluxul de căldură furnizată unui cilindru și nu poate da imediat puterea dorită la pornire. Pentru a schimba rapid puterea motorului utilizat de altele decât cele utilizate în motoarele cu combustie internă metode: un rezervor tampon de volum variabil, o schimbare în mediul fluid de lucru în camerele de presiune, schimbarea unghiului de fază între pistonul de lucru și pistonul auxiliar. În acest din urmă caz, răspunsul motorului la acțiunea de control al conducătorului auto este practic instantaneu.
avantaje
Cu toate acestea, motorul Stirling are avantaje, care sunt forțate în dezvoltarea sa.
- Motor Pantophagy La fel ca toate motoarele cu combustie externă (sau mai degrabă - de căldură de intrare externă) Stirling poate funcționa la temperatura diferențială între diferitele straturi ale oceanului, de la soare, de încălzire nucleară sau izotopic, cărbune, sau sobă cu lemne, etc. Acest factor este direct legat de .. randamentul motorului în sens larg - vă permite să înlocuiți uleiul de combustibil scump la alternative mai ieftine.
- structură simplă Stirling lipsesc multe dintre elementele motoarelor convenționale: sistem de aprindere, scânteie, carburator, supape, țevi de eșapament. Acesta este condus în mod independent și nu are nevoie de un starter. Caracteristicile sale fac posibilă pentru a scăpa de cutia de viteze.
- Lipsa de creștere a resurselor de mai multe unități „blânde“ oferă o fără precedent permite motoarelor Stirling la alte resurse în zeci și sute de mii de ore de funcționare continuă.
- În cazul eficienței de conversie din Stirling de energie electrică solară da, uneori, o eficiență mai mare (până la 31.25%) decât motoarele termice pentru un cuplu. [1]
- Stirling față de mediu poate fi utilizat ca sursă de căldură pentru acumulatoare de căldură săruri topite. Aceste baterii outperform stocul de baterii chimice de energie și mai ieftin decât ei. Utilizarea controlului puterii pentru modificarea unghiului de fază dintre pistoanele, se pot acumula energie mecanică, frânarea motorului. În acest caz, motorul se transformă în pompa de căldură.
- motor Stirling liniștită nu are nici o evacuare, deci - nici un zgomot. Beta-Stirling dispozitiv Lozenge motorului este perfect echilibrat, și, cu fabricarea suficient de înaltă calitate, nu are nici măcar la vibrații (amplitudinea vibrațiilor este mai mică de 0,0038 mm).
cerere
Stirling motor cu un generator de curent alternativ liniar
Surse de alimentare universale
Motoarele Stirling pot fi utilizate pentru conversia în energie electrică a oricărei căldură. Ei își pun speranțele privind crearea instalațiilor solare. Acestea sunt folosite ca generatoare de sine stătătoare pentru turiști. Unele companii fabricarea de generatoare care ruleaza pe arzătoare de gaz ale cuptorului. NASA are în vedere opțiuni pentru generatoarele bazate pe Stirling de lucru pe surse de căldură nucleară și radioizotopi.
Eficiența sistemelor de încălzire sau de răcire crește dacă pompa este montată în buclă forțată alimentarea cu lichid de răcire. Instalarea pompei electrice reduce capacitatea de supraviețuire a sistemului și în casa neplăcută că electrice „vânturi“, cel puțin o cantitate mică, dar apreciabilă. Pompa folosește un principiu motor Stirling, rezolvă această problemă.
Stirling pentru lichide pot fi mult mai ușor schema de obicei „motor-pompă“. Pistonul motor Stirling de lucru în locul lichidului pompat poate fi utilizat, care servește în același timp pentru a răci fluidul de lucru.
pompa pe bază de stirlinga poate fi utilizată pentru pomparea apei în canalele de irigare prin căldura solară, pentru alimentarea cu apă caldă din colectorul solar în casa (din acumulatorul de căldură de încălzire să încerce cât mai scăzute posibil, astfel încât apa a fost în radiatoarelor prin gravitație).
Stirling-pompă poate fi utilizată pentru pomparea substanțelor chimice, deoarece absolut leakproof.
Pompele de caldura pot economisi în mod semnificativ la încălzire. utilizate în mod obișnuit pompe de căldură acționate de electricitate. Dar, în unele țări, energia electrică produsă de centralele termice care ard gaze naturale, cărbune, păcură, și caloriei rezultat obținut în această pompă de căldură nu este mai mică decât cea obținută prin arderea gazelor. Unitate, în care motorul Stirling combinat și pompa de căldură Stirling, ceea ce face situația mai favorabilă. Stirling Engine dă un recuperator de căldură reziduală sistem de încălzire dintr-un cilindru „rece“, iar energia mecanică obținută este utilizată pentru a schimba porțiuni de căldură suplimentare care sunt luate din mediul înconjurător. pompă de căldură hibrid „Stirling-Stirling“ este mai simplă decât compoziția celor două motoare Stirling. Unitatea este complet lipsa de pistoane. căderi de presiune care apar in motor sunt utilizate direct pentru transferul de căldură de către pompa de căldură. prostaranstvo internă unitate sigilată și permite utilizarea fluidului de lucru la o presiune foarte ridicată.
Calculele arată că pompa de căldură ideală „Stirling-Stirling“ pentru fiecare calorii arse de gaze poate adăuga încă 3 până la 10 de calorii din mediul înconjurător. În practică, această valoare este mai mică. Experimentele privind utilizarea unor astfel de dispozitive au fost întrerupte.
Aproape toate frigiderele folosesc aceleași pompe de căldură. În ceea ce privește sistemele de răcire ale soarta lor a fost mai mult decât fericit. Un număr de producători de frigidere de uz casnic va fi instalat pe modelul dvs. de Stirling. Ei vor avea o eficiență mai mare, și va utiliza aerul obișnuit ca fluid de lucru.
Stirling au fost efektivnost pentru lichefierea gazului. Dacă nu aveți nevoie de cantități uriașe de Stirling profitabile decât instalarea turbinei.
Stirling fi utilizat în mod avantajos pentru răcirea unui senzor de dispozitive de înaltă precizie.
Beneficii Stirling a condus la faptul că, în prima jumătate a anilor 1960 directoare navale subliniat posibilitatea instalării de submarine de tip „Shourmen“ produs de propulsie independenta de aer suedez Stirling. Cu toate acestea, nici „Shourmeny“ și nici nu le-a urmat „Nacka“ și „Vesterotlandy“ aceste centrale nu au primit. Abia în 1988, o durere de cap de tip submarin „Nacka“ a fost transformată într-un motor Stirling. Cu ei a trecut sub apă de mai mult de 10 000 de ore. Cu alte cuvinte, este suedezii descoperite în subacvatice eră în domeniul construcțiilor navale de propulsie anaerobă auxiliară. Și dacă „Nacka“ - prima navă prototip al acestei subclase, tipul de submarin „Gotland“ a devenit primele bărci de producție cu motoare Stirling, care le permit să rămână sub apă timp de până la 20 de zile în mod continuu. tehnologii În prezent, toate submarine Navy echipate cu motoare Stirling Suedia și constructori de nave suedeze sunt deja bine dovedit dota aceste motoare submarine prin compartimentul de inserție suplimentară, în care se află noul sistem de propulsie.