Малко за Стърлинговия двигател

[Joro-01]

Вероятно мнозина от посетителите са чували, а предполагам немалко са и запознати с прословутият двигател. Иска ми се чрез настоящия пост да обърнем малко внимание (заслужено според мен) на принципа на работа, и възможните му приложения.

По същество. Най-общо казано Двигателят на Стирлинг представлява топлинна машина (движи се с температурна разлика), а видът двигатели към който принадлежи – двигател с външно горене, какъвто е и парният, но за разлика от него работи със затворен цикъл (няма изпускане на работен флуид в околната среда, поради което няма такива загуби), използва се и свиването на флуида (в никоя друга топлинна машина не се прави), работният флуид е всъщност газ (може въздух), няма клапани, безшумен е, и може да работи при доста по-ниски температурни разлики.

Открит през 1816 година, от Робърт Стирлинг, поради това е известен по-късно като Стирлингов двигател.

Как работи? Известно е, че газовете при нагряване се разширяват, а при охлаждане се свиват. Нека си представим, че разполагаме с хермртизиран цилиндър с бутало, примерно амортисьор или запушена спринцовка (желателно от някогашните стъклени), в който имаме някакъв газ. Ако поставим цилиндъра в гореща вода, разширяващият се газ ще избута буталото навън. При охлаждане настъпва обратният процес. Ако обаче свържем буталото с механизъм, така че при движението си да премества целият цилиндър от топло място на студено и обратно, вече имаме работещ прототип. Има такива решения, но по-разпространеният начин е да се застави газът да циркулира в затворен обем, поделен на студена и гореща част и при разширяването и свиването си да извършва работа. Като представеният на анимацията механизъм.

Състои се от два съединени цилиндъра с различно сечение и две бутала. По-малкото е силовото бутало, онова което разширяващият се газ избутва. А по-голямото? Нарича се изместващо бутало (displacer). По-наблюдателните ще забележат, че не се докосва до стените на цилиндъра. Не е грешка. Работата му е да измести равен на него обем газ в обратна на движението му посока. Газът минава именно през тази „междина“. Очевидно е, че буталото трябва да е обемно и леко. Също така и да е добър топлоизолатор, защото то е и преграда между студената и горещата част от машината. Буталата са свързани едно с друго чрез рейки и с маховик по начин, осигуряващ оптималната работа на двигателя.

Използват се всякакви газове – въздух, водород, азот, хелий, фреон. Не знам за пропан-бутан, но няма пречка да работи, освен,че е взривоопасен, което важи и за водорода.

Конструкции - разнообразни. Като се почне от показаната, мине се през други подобни бутални, мине се през вариант с радиално разположени спринцовки върху колело, потопено наполовина във вода (аналолог на двигателя „Гном“), аналог на Ванкеловия двигател, турбина, свободно бутало без маховик, та чак до двигатели с течни бутала. За последния по-екзотичен пример можем да посочим абсорбционен хладилник където циркулацията на амоняка и водата в контура се осъщестява не чрез конвекция, а именно по този принцип.

И последно, което може би е по-малко известен факт, но е редно да се каже, е че Стирлинговите двигатели са обратими. Ако му развъртите маховика ще получите температурна разлика. Може да се използва за охладител или топлинна помпа. На практика обаче не става с всички видове.

Не казх нищо за минусите. Работи на малка температурна разлика, но понеже е топлинна машина КПД-то зависи от гадната разлика. Т.е. по-добре е да е по-висока. Повечето такива двигатели се нуждаят от 400ºС за да работят, но при такива условия и при механични напрежения се оказва, че само метал е подходящ като материал за работещите модели. Поради топлопроводимостта на металите обаче се получава „утечка” по корпуса и дисплейсъра от горещата към студената част на машината, въпреки изолацията на „съединението”, т.е. изтича топлина без да се извършва работа. Също така не са много материалите, които уплътняват ефективно (за силовото бутало) при такива температурни разлики. Поради тези причини може да се окаже по-рентабилно да се направи двигател, работещ с 200 ºС, но при който някои ключови детайли могат да се направят от пластмаса. На този вариант са се спрели инженерите от Cool Energy, за които съм писал в друг пост.

Ето и оригинала на статията

Редактирано 24, 2011 от Joro-01

[glishev]

Извинявай, в никакъв случай не съм експерт, но не е ли "Стърлингов двигател"?

[Joro-01]

Ми.. Не знам, в смисъл не е българско и особено когато е име, мисля че е допустимо да има неточности от този род, има много примери за това. Е, аз предпочетох да го чета "И"

По-скоро се чудех дали е за раздел "Физика" или "Цивилна техника", не бих се обидил ни най-малко, ако го преместите, но смятам, че тук може да стигнем до формули и диаграми...

Редактирано 24, 2011 от Joro-01

[glishev]

Един от колегите е експерт в областта, той ще каже дали темата е за местене. Аз само ще оправя заглавието

[Joro-01]

Ok..

Редактирано 24, 2011 от Joro-01

[Skubi]

Вероятно мнозина от посетителите са чували [...] за които съм писал в друг пост.

Ето и оригинала на статията

Ето има доста вида....

:smokeing:

Редактирано 24, 2011 от glishev
Ограничих огромния цитат.

[Joro-01]

Да, така е Skubi..

Не сме форум направи си сам, но може да си направя скоро едно миниатюрно моделче, ще го снимам и кача...

Редактирано 24, 2011 от Joro-01

[Skubi]

Да, така е Skubi..

Не сме форум направи си сам, но може да си направя скоро едно миниатюрно моделче, ще го снимам и кача...

Някаде бях виждал от бирена консерва направен прототип....

Интересно е, че този тип двигател макар, че имаме вече всички нужни технологии, много-много не се прилага....

http://www.youtube.com/watch?v=AifGfayZHzc&feature=related

:post-20645-1121105496:

Редактирано 24, 2011 от Skubi

[Joro-01]

Може не е трудно, онова обаче дето го мисля ще светне светодиод и ще е много (в пъти) по-малко.

Не знам защо много много не се прилага. Като всяко нещо, няма да носи печалба на правилните хора, според мен.

Редактирано 24, 2011 от Joro-01

[Joro-01]

В космически апарати и в подводници (не само атомни) се използва. Ползва се и за компактно охлаждане (става и за термопомпа, нали) на някои термовизионни камери например... Най ефективната топлинна машина е това.

[Doris]

Интересен е този двигател, Robert Stirling - Робърт Стирлинг, с и се пише името, i в затворена сричка се чете и и всички така го превеждат.

Редактирано 24, 2011 от glishev
Зная как се пише :) Чете се "Стърлинг".

[Joro-01]

Doris,

,

Да - за затворената сричка, но нямам претенции към имената

[luboznatelnia]

Може не е трудно, онова обаче дето го мисля ще светне светодиод и ще е много (в пъти) по-малко.

Не знам защо много много не се прилага. Като всяко нещо, няма да носи печалба на правилните хора, според мен.

Здравей , много симпатично двигателче ! не се ли продават някъде в по малки размери? Имам идея че може прекрасно да се ползват като задвижващ компонент на цинкуляр , където няма ел , ток. Например в гората , ползваш дърва за гориво на двигателя си за да обработваш същите

[Joro-01]

Привет,

Понеже съм малко "зелен" по убеждения, не ми се иска да се ползва за това. Продават се извън BG системи за когенераация - топлина и ток, но лошото е , че когато се ползва стирлингов двигател, а не парна турбина или дизел системата става много скъпа. Със сигурност из нета ще наммериш и такива дето се захранват от концентрирана слънчева светлина.

Продават се и комплекти за сглобяване на малки и безполезни моделчета, но иначе красиви...

Редактирано 24, 2011 от Joro-01

[luboznatelnia]

А , КПД-то на Стирлинговият двигател по голямо ли е , от това на двигател с вътрешно горене?

[B0081]

Направих една схема с тороидална циркулация на газта. Не съм сигурен дали ще работи, .

Възможно е, че нагнетателното бутало е излишно.

Мисля че ефиктивноста на този двиател се свежда до бързо загряване на газа,и до намаляване на топлините загуби извън самия газ.

Освен ел.разряд, не мога да се сетя какво може да загрява газта.

Редактирано 25, 2011 от B0081

[B0081]

Няма как да ти е ефективен двигателя ако топлината която използваш изтича някъде навън.

Не споря.Само че тя не излиза навън.

От Уикипедията,само че на Български е много оскъдна,тази е на руски.

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%A1%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0

Редактирано 25, 2011 от B0081

[Doris]

Ето това намерих аз за КПД на стирлинговия двигател:

http://newenergydirection.com/blog/2009/06/stirling-engine-efficiency/

Пише, че КПД при него е по-добър от този на бензиновите двигатели и съпоставим с този на дизеловите. Най-ефективният стирлингов двигател - на НАСА е с КПД = 38.5%. Разработването му обаче е било прекратено заради големите разходи за изследвания.

Друг недостатък на този двигател е падането на КПД с нарастване на оборотите, както е показано на графиките.

[B0081]

Не съм се изразил правилно. С думите "изтича някъде навън" имам предвид самата работа на топлообменника и топлинните загуби в него, а не работата на стирлинговия двигател. Това е в отговор на твоето изречение за топлинните загуби. Но мисля че се отдалечаваме от темата.

Пуснах рисунката като една идея, при която да има циркулация.

Ако допуснем че долното бутало ще изсмуква в определен момент от време вече разширената газ,при което от горните отвори ще навлиза по студена газ в цилиндъра на работното бутало. И в последствие изсмукания разширен газ в помощния цилиндър започне да се свива....

Така по добре ли е?

Повече ме интересува дали е ефективно загряването на самата газ чрез ел.разряд. ?

Редактирано 25, 2011 от B0081

[Doris]

....

Повече ме интересува дали е ефективно загряването на самата газ чрез ел.разряд. ?

По принцип директното загряване на газ е по-неефективно, отколкото чрез контакта му с твърда или течна повърхност и конвекция.

[Doris]

... Идеята за стирлинговия двигател е да се превърне топлинната енергия в електрическа. ...

Струва ми се, че целта е да се превърне топлинната енергия в механична, за това е и двигател, а не генератор.

Данните които даваш мисля че са остарели.

Възможно е. Просто се порових за конкретни примери.

Редактирано 25, 2011 от Doris

[luboznatelnia]

По принцип директното загряване на газ е по-неефективно, отколкото чрез контакта му с твърда или течна повърхност и конвекция.

Защо мислиш така? при директното загряване няма да има топлинни загуби , вследствие топлообмена на стените на цилиндъра със , околният досег до въздух , или части от двигателя , дори и при изолация не може да се постигне 0 топлообмен.

[luboznatelnia]

Данните които даваш мисля че са остарели. Преди малко повече от година когато преглеждах съществуващите в момента варианти, попаднах на комерсиален стирлингов двигател който се произвежда и продава в момента и който има около 33% ефективност при температурната разлика осигурявана от слънчеви панели (а тя не е особено висока). До колкото съм чел на теория ефективността на стирлинговия двигател може да достигне над 70%. Колко се постига на практика не знам, понеже разработчиците в момента развиват двигателите работещи с малка температурна разлика и само за такива съм попадал на данни. А при малката температурна разлика следва и ниска ефективност.

Дори и при малка температурна разлика , този двигател може да се окаже много ефективен , като преобразовател на отпадни топлини във електроенергия . Помисли си само колко топлинна енергия изфирясва с всякаква човешка дейност , като се започне с промишленността и се завърши със бита. А топлината от слънцето или геотермалните извори е другия коз държан в ръката на Стирлинг двигателят Редактирано 25, 2011 от luboznatelnia

[Joro-01]

Ако щеш и вкъщи (на село по-скоро) зимата. Слагаш на кюмбето нещо подобно на тенджера под налягане и си занранваш комп, телевизор и/или или осветление.

Редактирано 25, 2011 от Joro-01

[Skubi]

Има много решения. Например достатъчно топла вода се изхърля чрез канализацията....

Има възможност тази топлина да се извлече и ако ще чрез стърлингов двигател и помпа да помпиш вода от кладенец или да зареждаш акумулатор....

ако случайно изчезне:

:doh:

Редактирано 25, 2011 от Skubi