Производство  ->  Машиностроение  | Автор: | Добавлено: 2015-03-23

Принцип действия автомоблиля Стирлинга

До недавнего времени системы автономного энергоснабжения, использовавшие традиционные тепломеханические агрегаты, удовлетворяли существующему уровню развития общества и техники. Однако обострение общенациональных, глобальных проблем, требующих срочного решения (истощение природных ресурсов; надвигающийся энергетический кризис; загрязнение окружающей среды; уменьшение озонового слоя Земли; усиление "парникового эффекта" и т. д) привело к необходимости принятия в конце XX века ряда крупных международных и российских законодательных актов в области экологии, природопользования и энергосбережения. Основные требования этих законов направлены на сокращение выбросов СО2, прекращение производства озоноразрушающих веществ и фреона R -12, как холодильного агента для парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ), ресурсо- и энергосбережение, перевод автотранспорта на экологически чистые моторные топлива и т. д.

Огромные масштабы, удорожание производства топливно-энергетических ресурсов и растущее загрязнение окружающей среды выдвинули на первый план задачу поиска новых технологий энергопреобразования, разработки новой техники на основе высокоэффективных термодинамических циклов, использование новых видов топлива, новых рабочих тел и т. д. , то есть создание таких экологически чистых энергосистем, которые бы обеспечивали удовлетворение нужд промышленности и населения при минимальных затратах материальных ресурсов.

Наряду с другими подходами, в решении стоящих перед Российской Федерацией экологических и энергетических проблем, одним из вариантов решения этой проблемы является разработка и широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга (машины Стирлинга).

Принцип действия машины Стирлинга

Машины Стирлинга - это машины, работающие по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. В качестве рабочего тела используются газообразные природные вещества (гелий, азот, сухой воздух и др. ).

Если говорить о машинах Стирлинга вообще – то это машины различного функционального назначения. Область их применения можно представить в виде графа.

На последних европейских и мировых форумах по современному состоянию и перспективам развития машин, работающих по циклу Стирлинга, отмечалось, что технология изготовления машин Стирлинга за рубежом полностью освоена. Решены проблемы уплотнений двигающихся деталей, выбора материалов, пайки теплообменников и т. д. Ввиду этого, наряду с традиционным применением двигателей и криогенных машин Стирлинга для военных целей (переконденсация низкокипящих жидкостей, охлаждение детекторов инфракрасного излучения, анаэробных систем автономного энергоснабжения и т. д. ), перспективными направлениями считаются применение холодильных машин Стирлинга на уровне умеренного холода для хранения пищевых продуктов и систем кондиционирования воздуха, использование двигателей Стирлинга в когенерационных установках, тепловых насосах в системах децентрализованного теплоснабжения и т. д.

Конструктивно, машины Стирлинга представляют собой удачное сочетание в одном агрегате: компрессора - устройство для сжатия воздуха; детандера - устройство для дополнительного охлаждения газа путём его выпуска под давлением в цилиндр с поршнем, который перемещается с усилием. При этом газ совершает работу и охлаждается; и теплообменных устройств: теплообменника нагрузки (нагревателя - устройство, которое позволяет использовать в качестве топлива любой вид газообразного, жидкого и твердого топлива; или конденсатора - аппарат для осуществления перехода вещества из газообразного (парообразного) состояния в жидкое или твёрдое. ); регенератора - теплообменник, в котором передача теплоты осуществляется путём поочерёдного соприкосновения теплоносителей с одними и теми же поверхностями аппарата; и холодильника - закрытое пространство, в который поступает отработавший (мятый) пар, и где он сгущается охлаждением, так что давление его становится ниже атмосферного.

Термодинамический цикл рассматриваемых машин был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. Двигатель Стирлинга - двигатель внешнего сгорания, двигатель с внешним подводом и регенерацией тепловой энергии, преобразуемой в полезную механическую работу. С середины 19 века словосочетание «машина Стирлинга» стало широко употребляться как в классической термодинамике, так и бытовом обиходе. Тогда двигатель имел несовершенный регенератор (теплообменник), был громоздким и тяжёлым, вследствие чего не нашёл применения. Современный двигатель Стирлинга работает по замкнутому регенеративному циклу – циклу Стирлинга.

Для анализа принципиальных особенностей цикла Стирлинга рассмотрим систематику термодинамических циклов, представленную на рисунке.

Термодинамические циклы.

Из этой схемы видно, что цикл Стирлинга состоит из двух изотерм и двух изохор.

Изотермический процесс - процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре. Для осуществления изотермического процесса систему обычно помещают в термостат (массивное тело, находящееся в тепловом равновесии), теплопроводность которого велика, так что теплообмен с системой происходит достаточно быстро и её температура практически не отличается от температуры термостата. Можно осуществить изотермический процесс иначе - с применением источников или стоков тепла, контролируя постоянство температуры с помощью термометров. К изотермическому процессу относится, например, кипение жидкости или плавление твёрдого тела при постоянном давлении. В идеальном газе при изотермическом процессе произведение давления на объём постоянно (Бойля - Мариотта закон). Бойля - Мариотта закон - один из основных газовых законов, согласно которому при постоянной температуре объём V данной массы идеального газа обратно пропорционален его давлению р, т. е. pV = C = const. Постоянная С пропорциональна массе газа (числу молей) и его абсолютной температуре. При изотермическом процессе системе, вообще говоря, сообщается определённое количество теплоты (или она отдаёт теплоту) и совершается внешняя работа. Работа, совершенная идеальным газом в изотермическом процессе, равна NkT ln(V2/V1), где N - число частиц газа, Т - температура, V1 и V2 - объём газа в начале и конце процесса, k - Больцмана постоянная. Больцмана постоянная - одна из основных физических постоянных, равная отношению универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро NA. (числу молекул в 1 моль или 1 кмоль вещества): k = R/NA.

Изохорный процесс - процесс, происходящий в физической системе при постоянном объёме. В газах и жидкостях изохорный процесс осуществить легко, для этого достаточно их поместить в герметически запаянный жёсткий сосуд, не меняющий своего объёма. При изохорном процессе механической работы, связанной с изменением объёма тела, не совершается; изменение внутренней энергии тела происходит только за счёт поглощения или выделения тепла. С изменением температуры газа (жидкости) изменяется его давление. В идеальном газе при изохорном процессе давление пропорционально температуре (закон Шарля). В неидеальном газе закон Шарля не соблюдается, так как часть сообщенной газу теплоты идёт на увеличение энергии взаимодействия частиц. Осуществить изохорный процесс в твёрдом теле технически значительно сложнее. Из-за малой сжимаемости практически любой изотермический процесс в твёрдом теле является почти изохорным, вплоть до давлений порядка нескольких десятков килобар (~109 н/м2).

Наличие двух изотерм определяет равенство термодинамической эффективности идеального цикла Стирлинга и цикла Карно. Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл, в котором присутствует изотермический процесс нагрева и охлаждения и изоэнтропический процесс сжатия и расширения.

Изоэнтропический процесс – процесс, происходящий без теплообмена. Примером изоэнтропического процесса является сжатие газа в полностью изолированном цилиндре без теплообмена с окружающей средой. Или если газ расширяется в сопле так быстро, что теплообмен с окружающей средой не успевает произойти. Этот процесс описывается следующим выражением: , где: P – абсолютное давление, Па; T - абсолютная температура, К; V - объём, м3; x = cp/cv. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД и нулевой мощностью. Цикл Карно назван в честь французского физика - Сади Карно, который впервые его исследовал. Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной системы не меняется. Поэтому машины, работающие по циклу Стирлинга, одни из самых высокоэффективных машин в мире.

Особенности цикла Стирлинга

Принципиальными особенностями цикла Стирлинга являются:

- цикл характеризуется нестационарными во времени параметрами потоков рабочего тела в каждой точке системы. Практически это означает, что машина Стирлинга, рабочие полости которой входят в один объем, неизбежно должна быть машиной с периодическим изменением объемов сжатия и расширения, т. е. поршневой машиной. В виду этого преимущественные области применения таких машин – малые и средние мощности;

- цикл предназначен только для работы с газообразным рабочим телом. Чтобы размеры машин при заданной мощности были приемлемы, а внешний и внутренний теплообмен рабочего тела в этих условиях проходил достаточно эффективно, давление в машине должно быть существенно выше атмосферного. По тем же причинам рабочее тело должно иметь малую вязкость, возможно большую теплопроводность и теплоемкость, мало зависящую от давления (иначе возникнут большие собственные потери в регенераторе вследствие различных тепловых эквивалентов теплообменивающихся потоков);

- в цикле регенерация тепла позволяет работать в большом интервале температур (верхняя и нижняя температуры цикла) при относительно малых отношениях давлений сжатия и расширения;

- для реализации цикла в качестве рабочих тел могут быть использованы водород, гелий, азот, воздух и другие газообразные вещества. Использование в качестве рабочего тела газов с высоким значением газовой постоянной ( R), например водорода или гелия, позволяет получать в машинах Стирлинга энергетический к. п. д. свыше 50%;

- универсальность цикла, на его основе возможно создание как преобразователей прямого цикла, так и обратного цикла.

Машины, работающие по обратному циклу Стирлинга ( холодильные машины Стирлинга)

Цикл Стирлинга в преобразователе обратного цикла состоит из четырех процессов. В цикле Стирлинга температура внешнего источника, от которого подводится теплота в процессе расширения, ниже, чем температура рабочей жидкости, отводящей теплоту в процессе сжатия. В случае холодильной машины, теплота отводится из холодной полости в процессе расширения 3’-4’. Работа сжатия (площадь 1-2-5-6) для двигателя и для холодильной машины одна и та же. Работа расширения(площадь 4’-3’-5-6) в холодильной машине меньше работы сжатия, и для реализации данного цикла необходима энергия, подводимая от внешнего источника, эквивалентная площади 1-2-3’-4’. При переходе из полости сжатия в полость расширения в процессе 2-3’ температура рабочего тела уменьшается, в а процессе 4’-1 соответственно увеличивается.

На этой диаграмме представлена зависимость давления(P) и объёма(V) в обратном цикле Стирлинга. Также здесь представлена зависимость температуры(T) и ещё одного элемента термодинамики - энтропии(S). Термодинамическая энтропия S - функция состояния термодинамической системы; её существование постулируется вторым началом термодинамики. Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что невозможно всю внутреннюю энергию тела превратить в полезную работу. Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Одним из наиболее перспективных направлений развития холодильной техники в XXI веке является создание и применение холодильных машин Стирлинга умеренного холода (ХМС УХ). Теоретически эффективность холодильных машин Стирлинга умеренного холода равна эффективности идеальной холодильной машины, работающей по циклу Карно. В качестве рабочих тел для машин Стирлинга обратного цикла могут применяться вещества, полностью отвечающие требованиям Венской конвенции по охране озонового слоя и Монреальского протокола по озоноразрушающим веществам. Поэтому широкое внедрение холодильных машин Стирлинга умеренного холода уже в ближайшее время позволило бы в комплексе "эффективность + экологическая чистота" решить проблему создания соответствующих современным требованиям систем холодоснабжения. Современный диапазон производства данных машин колеблется от 1 до 100 кВт, что обеспечивает их использование в системах холодоснабжения во многих областях промышленности и торговле.

Ярким примером перспективности холодильных машин Стирлинга является начало серийного производства с 2004 года таким гигантом, как южнокорейская корпорация «LG Electronic Inc» домашних холодильников на основе холодильных машин Стирлинга с линейным приводом.

Машины, работающие по прямому циклу Стирлинга

Двигатель Стирлинга

Необходимо отметить, что рядом зарубежных фирм начато производство двигателей, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки (ГТУ). В таблице 1 представлены основные технические характеристики зарубежных двигателей Стирлинга.

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который отличается от циклов двигателей внутреннего сгорания.

• Используемые внутри двигателя Стирлинга газы никогда не покидают двигателя. В нем нет выхлопных клапанов, которые выпускали бы находящиеся под давлением газы, подобных применяемым в бензиновых или дизельных двигателях, а также отсутствуют взрывы. Благодаря этому машины Стирлинга работают очень тихо.

• Цикл Стирлинга использует внешний источник тепла, которым может быть что угодно - сгорающий бензин, солнечная энергия или даже тепло, производимое компостными бактериями. Внутри цилиндров горения топлива нет.

Есть множество способов построения двигателей Стирлинга. В этой статье будут рассмотрены два из них.

Ключевым принципом двигателя Стирлинга является то, что неизменное количество газа закрыто внутри двигателя. Цикл Стирлинга включает в себя последовательность событий, изменяющих давление газа внутри двигателя и приводящих его в работу.

Есть несколько качеств газов, которые важны для работы двигателей Стирлинга:

• При наличии неизменного количества газа в неизменном объеме и увеличении температуры, давление будет увеличиваться.

• При сохранении неизменного количества газа и уменьшении объема, в котором он заключен, температура газа будет возрастать.

Взглянем подробнее на каждую из частей цикла Стирлинга на примере упрощенного двигателя Стирлинга, использующего два цилиндра. Один цилиндр нагревается внешним источником тепла (например, огнем), а второй охлаждается, например льдом. Цилиндры заполнены газом и соединены друг с другом, а их поршни механически связаны с помощью устройства, обеспечивающего определенный порядок их движения.

В цикле Стирлинга четыре фазы. Два поршня на вышеприведенной анимированной схеме совершают все части этого цикла:

1. Тепло, воздействуя на газ внутри нагреваемого цилиндра (слева), вызывает увеличение давления газа, заставляющее поршень двигаться вниз. В этой части цикла двигатель Стирлинга совершает работу.

2. Левый поршень движется вверх, а правый движется вниз. При этом газ перетекает в охлаждаемый (правый) цилиндр и охлаждение приводит к падению давления, благодаря чему будет проще сжать газ в следующей части цикла.

3. Поршень правого, охлаждаемого цилиндра начинает сжимать газ. При сжатии выделяется тепло, которое удаляется через стенки охлаждаемого цилиндра.

4. Правый поршень движется вверх, а левый движется вниз. Это приводит к перемещению газа в нагреваемый цилиндр, где он быстро разогревается, давление увеличивается и цикл повторяется.

Двигатель Стирлинга совершает работу во время первой части цикла.

Мощность двигателя Стирлинга

Есть два основных пути увеличить мощность цикла Стирлинга:

• Увеличить выход мощности на первом шаге - в первой части цикла давление нагреваемого газа на поршень осуществляет работу. Увеличение давления в этой фазе цикла увеличит совершаемую двигателем работу. Один из путей увеличения давления состоит в увеличении температуры газа. Позже в этой статье на примере двухпоршневой машины Стирлинга мы увидим также устройство, называемое регенератором. Оно может повысить мощность двигателя путем временного сохранения тепла.

• Уменьшить затраты на третьем шаге - в этой части цикла поршни совершают работу над газом, используя часть энергии, произведенной в первой фазе цикла. Уменьшение давления на этом шаге может сократить объем затрачиваемой энергии, то есть общая отдача двигателя возрастет. Одним из путей уменьшить давление является охлаждение газа до более низких температур.

Диаграмма цикла Стирлинга

Цикл Стирлинга в преобразователе прямого цикла состоит из четырех процессов: 1-2 - процесс изотермического сжатия, теплота от рабочего тела с температурой Т сж передается окружающей среде; 2-3 – процесс при постоянном объеме, теплота от насадки регенератора передается рабочему телу; 3-4 - процесс изотермического расширения, теплота от внешнего источника с температурой Т max передается рабочему телу; 4-1 – процесс при постоянном объеме, теплота от рабочего тела передается насадке регенератора.

Фаза цикла

1-2 (T=0 процесс изотермического сжатия, теплота от рабочего тела с температурой Т сж

((V<0) передается окружающей среде;

2-3 (V=0 процесс при постоянном объеме, теплота от насадки регенератора передается

((T>0) рабочему телу; изохорное нагревание

3-4 (T=0 процесс изотермического расширения, теплота от внешнего источника с

((V>0) температурой Т max передается рабочему телу;

4-1 (V=0 процесс при постоянном объеме, теплота от рабочего тела передается насадке,

((T<0) изохорное охлаждение.

Vmax/Vmin=V1/V3=V4/V3=(. – максимальное изменение объема газа

3-4 изотермическое расширение

Полученная теплота:

Зависимость давления от температуры:

Давление в точке 3:

Давление в точке 4:

4-1 изохорное охлаждение

Давление в точке 2:

1-2 изотермическое сжатие

Отданная теплота:

Зависимость давления от температуры:

Давление в точке 2:

2-3 изохорное нагревание от давления p2 до p3

Мы рассмотрели идеальный цикл Стирлинга. В реальных машинах используются вариации этого цикла, что связано с физическими ограничениями в их конструкциях.

Двигатель Стирлинга с вытеснителем

Вместо использования двух поршней, этот тип двигателей имеет один поршень и вытеснитель. Вытеснитель управляет перемещением газа между охлаждаемой и нагреваемой частями двигателя.

Этот двигатель может работать даже на тепле человеческой руки.

Для работы двигатель нуждается только в разнице температур между верхней и нижней частями большого цилиндра. В этом случае тепла ладони снизу и охлаждения воздухом сверху вполне достаточно.

В этой форме двигателя есть два поршня:

1. Рабочий поршень - меньший из поршней в верхней части двигателя. Этот поршень плотно прилегает к стенкам цилиндра и движется, когда газ внутри расширяется, под его давлением.

2. Вытеснитель - больший из поршней. Он свободно ходит в цилиндре, так что газ может легко переходить между охлаждаемой и нагреваемой частями цилиндра, когда поршень движется вверх и вниз.

Вытеснитель движется вверх и вниз и таким образом управляет процессом нагрева или охлаждения газа. У него две основных позиции:

• Когда вытеснитель вблизи верхней части большего цилиндра, основная часть газа нагревается источником тепла и расширяется, оказывая давление на малый поршень, который совершает работу, двигаясь вверх.

• Когда вытеснитель вблизи нижней части большего цилиндра, основная часть газа охлаждается и давление падает, а рабочему поршню становится легче двигаться вниз и сжимать газ.

Двигатель повторяет циклы нагревания и охлаждения газа, выделяя энергию из расширения и сжатия газа.

Двухпоршневой двигатель Стирлинга

В этом двигателе один цилиндр нагревается, например пламенем, а другой охлаждается воздухом, для чего на нем есть ребра, увеличивающие площадь охлаждаемой поверхности и ускоряющие процесс охлаждения. Шатуны от каждого из поршней идут к небольшому диску, размещенному на одной оси с маховиком. Это позволяет поршням двигаться в ходе тех частей цикла Стирлинга, когда не производится работа.  

Огонь постоянно нагревает нижний цилиндр.

1. В первой части цикла растущее давление газа заставляет поршень двигаться влево, совершая работу. Охлаждаемый поршень остается почти неподвижным, т. к. он находится вблизи точки смены направления движения (мертвой точки).

2. На следующем этапе оба поршня движутся. Поршень в нагреваемом цилиндре движется вправо, а поршень в охлаждаемом движется вверх. Это движение вынуждает газ перетекать через регенератор внутрь охлаждаемого цилиндра. Регенератор временно сохраняет тепло, для этого используется проволочная сетка, через которую течет газ, отдавая ей свое тепло. Большая площадь поверхности сетки быстро поглощает основное количество тепла, а остаток легче может быть отведен с помощью ребер охлаждения от верхнего цилиндра.

3. Затем поршень в охлаждаемом цилиндре начинает сжимать газ. При этом выделяется тепло, которое поглощается охлаждающими ребрами цилиндра.

4. В заключительной фазе цикла оба поршня движутся - охлаждаемый движется вниз, а нагреваемый влево. При этом газ проходит через регенератор в обратном направлении и отнимает от него часть тепла, сохраненного ранее, а потом попадает в нагреваемый цилиндр. Тут цикл начинается вновь.

Проблемы создания высокоэффективных машин Стирлинга

В заключении, говоря о проблемах создания машин Стирлинга, необходимо сделать два вывода:

- высокая наукоемкость данной области техники является основным сдерживающим фактором широкого распространения машин, работающих по циклу Стирлинга;

- успех в создании конкурентоспособных на мировом рынке машин Стирлинга может быть достигнут только как результат синтеза высокого уровня научных исследований, тщательной конструктивной проработки основных узлов машин Стирлинга и передовой технологии производства.

Заключение

Почему двигатели Стирлинга так мало распространены?

Вероятно, каждый, кто ознакомился с этой информацией, будет удивлен тем, что двигатели Стирлинга практически не представлены на рынке. Есть пара важных характеристик, которые делают применение двигателей Стирлинга непрактичным, включая использование в автомобилях.

     То, что источник тепла расположен снаружи, обуславливает медленное реагирование двигателя на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру. Требуется время на то, чтобы стенка цилиндра нагрелась сильнее или охладилась при уменьшении подачи тепла. А это означает что

• Двигатель должен некоторое время разогреваться до того, как он сможет начать производить работу.

• Мощность двигателя не может быстро меняться.

Также у этого двигателя есть и другие недостатки:

• Большие габариты и масса.

• Высокая стоимость по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания.

• Конструктивная сложность уплотнений, которые должны выдерживать большие давления рабочего тела.

Все эти недостатки сильно затрудняют применение двигателя Стирлинга там, где сейчас используются двигатели внутреннего сгорания. Однако применение двигателей Стирлинга в гибридных автомобилях вполне возможно.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)