Механизм цикла Стирлинга

<час />

Фон

Двигатель - это машина, преобразующая энергию в полезную работу:например, сжигание угля для вращения приводного вала генератора электростанции. Самым распространенным двигателем, производимым сегодня, является автомобильный двигатель с бензиновым двигателем. Другими распространенными двигателями являются дизельный двигатель, используемый в тяжелых грузовиках и некоторых легковых автомобилях, паровая турбина, вырабатывающая электричество на электростанциях, реактивный двигатель, используемый для приведения в движение самолетов, и двухтактный бензиновый двигатель, используемый для питания небольших приборов, таких как газонокосилки. Каждый из этих двигателей преобразует тепло, выделяемое при сжигании ископаемого топлива, в полезную работу.

Энергия - это способность выполнять работу. Эти две величины связаны и имеют одни и те же единицы измерения, но энергия не может быть полностью преобразована в работу. Например, при использовании в качестве топлива для печи 1 галлон (3,8 л) бензина содержит достаточно химической энергии для кипячения примерно 14 галлонов (53 л) воды при стандартных условиях. Однако, если тот же самый галлон бензина будет помещен в портативный генератор (который преобразует бензин в работу, а затем работу в электричество), и если электричество затем будет использовано для кипячения воды на электрической плите, маловероятно, что можно было вскипятить более 3 галлонов (11,4 л) воды до того, как в генераторе закончится топливо.

Причина, по которой электрическая плита не может вскипятить столько воды, как печь, работающая на бензине, заключается в том, что двигатели не на 100% термически эффективны при преобразовании тепла в работу - термический КПД означает количество произведенной полезной работы, деленное на энергию, передаваемую двигателю. Вот почему газовая плита или сушилка для одежды дешевле в эксплуатации, чем аналогичный электрический прибор. В случае портативного генератора часть энергии бензина попадет в выхлопные газы двигателя, часть будет потрачена впустую на нагрев генератора, а часть будет потрачена впустую внутри, поскольку движущиеся части внутри генератора трутся друг о друга, преобразовывая механическую энергию в тепло трения.

Наука, изучающая, как тепло циркулирует в двигателе для создания работы, называется термодинамикой, от греческого therme (тепло) и динамизм (сила). Цикл, который преобразует тепло в работу, известен как термодинамический цикл. В автомобильном двигателе, работающем на бензине, используется цикл Отто. В дизельном двигателе используется дизельный цикл. Паровая машина или паровая электростанция использует цикл Ренкина. Ни один из этих циклов нельзя использовать для полного преобразования энергии в работу. Это потому, что все они должны отводить тепло в окружающую среду. Электростанция или паровая машина должны конденсировать пар, чтобы отправить воду обратно в котел (теряя энергию). Автомобильный двигатель должен отводить горячие выхлопные газы, содержащие значительное количество энергии, из выхлопной трубы. Наиболее термически эффективным практическим циклом преобразования тепла в работу является цикл Стирлинга. Цикл Стирлинга является наиболее термически эффективным двигателем, поскольку он тратит (или отклоняет) наименьшее количество тепла в окружающую среду по сравнению с объемом работы, которую он производит для любого двигателя. Двигатель, использующий цикл Стирлинга, известен как двигатель цикла Стирлинга. Двигатель цикла Стирлинга можно использовать для питания автомобиля, грузовика или самолета или для выработки электроэнергии. Он будет выполнять эту работу с меньшими затратами энергии, чем сопоставимый двигатель Отто, Дизеля или Цикла Ренкина.

История

Первым практическим двигателем был паровой двигатель, запатентованный Джеймсом Ваттом в 1769 году. Двигатель Ватта преобразовывал энергию в работу, используя пар от угольных котлов. Двигатель Ватта состоял из котла, поршня, содержащегося в цилиндре, конденсатора с водяным охлаждением, водяного насоса, трубопровода и трубопроводов для перемещения воды и пара вокруг двигателя, а также рычагов, которые преобразовывали движение поршня вверх и вниз. в круговое движение на приводном валу. Приводной вал можно использовать в любом количестве, например, для питания мельницы или откачки воды из угольной шахты.

Двигатель Ватта использовал четырехступенчатый термодинамический цикл для создания работы. Цикл начинался с открытия клапана, чтобы пар под давлением мог поступать в цилиндр. Когда пар расширялся в цилиндре, он давил на поршень, производя полезную работу. Когда поршень достигал дна цилиндра, клапан, позволяющий пару входить в цилиндр, закрывался, и клапан между цилиндром и конденсатором открывался. Поскольку в конденсаторе было намного более низкое давление, чем в цилиндре, он буквально всасывал пар вверх в конденсатор. Когда пар выходил из цилиндра, поршень поднимался вместе с паром, возвращая поршень в исходное положение, где он был готов для создания дополнительной работы. Как только пар в конденсаторе полностью превращался обратно в воду, вода перекачивалась обратно в котел, где она снова превращалась в пар, завершая цикл.

Термическая неэффективность этого цикла заключается в том, что в паре, когда он направляется в конденсатор, остается еще много энергии. Однако вряд ли можно регенерировать какую-либо из этой энергии, потому что пар не может быть закачан обратно в котел без выполнения на нем большого объема работ; часто больше работы, чем тепло, которое теряется в конденсаторе. Перед подачей в котел пар необходимо превратить в воду. Таким образом, теряется большое количество тепла, выделяемого горящим углем.

Паровая машина сделала возможным современный индустриальный мир, но не без недостатков. Смешивание холодной воды и пара в сочетании с примитивной металлургией приводило к частым взрывам котлов. Гибель людей была мотивирующим фактором, который побудил преподобного Роберта Стирлинга (помимо того, что он был одним из ведущих инженеров своего времени, он также был рукоположенным священником церкви Шотландии), разработать двигатель, работающий на воздухе. вместо пара приводить в движение его поршень. Как побочный продукт, двигатель Стирлинга был намного более термически эффективным, чем двигатель Уатта, главным образом потому, что он не требовал конденсации пара во время цикла. Хотя двигатель Стирлинга был намного безопаснее, технологии того времени не позволяли производить двигатели Стирлинга мощностью более нескольких лошадиных сил (киловатт).

Двигатель Стирлинга так и не завоевал популярность в девятнадцатом веке. Ископаемое топливо было в изобилии, а металлургия улучшилась до такой степени, что паровые двигатели перестали быть столь опасными. Таким образом, неотъемлемое преимущество цикла Стирлинга в термической эффективности было недостаточным мотиватором для преодоления серьезных конструктивных проблем, с которыми столкнулись инженеры, желающие построить более мощные двигатели цикла Стирлинга. В двадцатом веке двигатель внутреннего сгорания, работающий на цикле Отто, доминировал в промышленном мире, потому что он был менее дорогим в изготовлении, чем двигатель с циклом Стирлинга, и потому, что ископаемое топливо все еще было по разумным ценам и в изобилии. Однако конструкторы двигателей никогда не забывали, что цикл Стирлинга является наиболее термически эффективным из возможных термодинамических циклов, и продолжали проектировать двигатели, которые его используют. Сегодня двигатели цикла Стирлинга используются для производства большей части сжиженного воздуха, производимого в исследовательских лабораториях. Они также используются в метеорологических спутниках и спутниках-шпионах, а также в ВМС Швеции для питания некоторых подводных лодок.

Сырье

Двигатель цикла Стирлинга может быть изготовлен из различных металлов. Блок двигателя обычно изготавливается из чугуна с шаровидным графитом или литого алюминиевого сплава (обычно алюминия и кремния). Многие внутренние детали (кривошипы и поршни) также сделаны из чугуна с шаровидным графитом или алюминия, но некоторые компоненты, требующие более высокой прочности, могут быть изготовлены из высокопрочной инструментальной стали S-7. Прокладки и уплотнения изготовлены из лексана, неопрена или натурального каучука. Двигатель заполнен сжатым гелием или воздухом, который называется рабочей жидкостью. Компонент, который передает тепло от источника тепла к рабочему телу, должен выдерживать очень высокие и постоянные температуры. Он может быть изготовлен из высокопрочной стали или керамического композитного материала, такого как карбид кремния (SiC).

Дизайн

Конструкция двигателя с циклом Стирлинга представляет собой сложное сочетание термодинамики, анализа теплопередачи, вибрационного анализа, механической динамики, прочности материалов и конструкции машины. Термодинамика используется для определения размера двигателя и выбора температуры, при которой он будет работать. Анализ теплопередачи необходим для определения того, как тепло будет передаваться от источника тепла к рабочему телу и как компоненты двигателя будут спроектированы так, чтобы выдерживать этот тепловой поток. Вибрационный анализ используется для балансировки двигателя для обеспечения плавной работы. Для расчета индуцированных напряжений в отдельных компонентах двигателя требуется механическая динамика. Анализ прочности материалов необходим для определения размера отдельных компонентов двигателя, чтобы они могли выдерживать индуцированное напряжение. Конструкция машины необходима для преобразования термодинамического цикла в работающий двигатель. Каждое из этих требований к конструкции требует огромного количества анализа.

Двигатель цикла Стирлинга похож на паровой двигатель. Оба имеют поршни и цилиндры, и оба являются двигателями внешнего сгорания, поскольку сжигание топлива происходит вне двигателя. Первое существенное различие между двумя двигателями заключается в том, что в двигателе цикла Стирлинга в качестве рабочего тела используется газ (воздух, водород или гелий, обычно) вместо воды и пара, жидкость, которая перемещает поршень и создает работу. Еще одно важное отличие состоит в том, что двигатель цикла Стирлинга имеет два цилиндра или пространства, один для расширения рабочей жидкости, а другой для сжатия рабочей жидкости, в то время как паровой двигатель имеет только один цилиндр. Однако наиболее важным различием между этими двумя двигателями является то, что вместо того, чтобы тратить свое избыточное тепло в конденсатор, двигатель цикла Стирлинга завершает свой термодинамический цикл, сохраняя свое избыточное тепло для использования в следующем цикле. Из-за этого двигатель цикла Стирлинга - это не просто самый термически эффективный двигатель из всех существующих, это самый термически эффективный двигатель, который только может быть. Типичный автомобиль имеет тепловой КПД около 30%. Эффективность угольной электростанции может составлять 45%. Очень большой дизельный двигатель может иметь тепловой КПД 50%. Теоретический максимальный тепловой КПД двигателя с циклом Стирлинга, работающего при температуре сгорания 2 500 ° F (1370 ° C), составляет около 78%. Конечно, никому не удавалось построить двигатель цикла Стирлинга с хоть чем-нибудь близким к такому тепловому КПД. На сегодняшний день инженеры не смогли преодолеть значительные проблемы проектирования, связанные с реализацией цикла Стирлинга.

В паровом двигателе тепло подводится к котлу для создания пара, который затем используется для приведения в действие поршней. В двигателе с циклом Стирлинга тепло применяется к внешней стороне главного цилиндра двигателя, что нагревает воздух внутри цилиндра. Этот горячий воздух расширяется, приводя в движение силовой поршень двигателя. Одним из основных преимуществ двигателя внешнего сгорания перед двигателем внутреннего сгорания является то, что рабочая жидкость в двигателе внешнего сгорания никогда не подвергается воздействию продуктов сгорания и, таким образом, остается намного чище. Кроме того, поскольку тепло может создаваться управляемым образом вне быстро меняющегося двигателя, двигатель с циклом Стирлинга производит менее 5% образующих смог оксидов азота, производимых двигателем внутреннего сгорания при той же производительности.

Цикл Стирлинга состоит из четырех шагов, как и цикл Ренкина паровой машины. Однако вместо перемещения рабочей жидкости из котла в цилиндр, от конденсатора к котлу, двигатель цикла Стирлинга перемещает рабочую жидкость из пространства расширения при высокой температуре к регенеративному теплообменнику в пространство сжатия при низкой температуре и обратно. Перемещение рабочего тела происходит из-за разницы температур между горячей и холодной сторонами двигателя. Горячая сторона нагревается, например, за счет сжигания отходов. Холодная сторона - это просто сторона, которая не нагревается, она только холодная относительно горячей стороны. Ключом к процессу является регенеративный теплообменник. Он называется регенеративным, потому что он накапливает тепло в одной части цикла, а затем возвращает его в следующей.

Начиная с начала рабочего такта, четыре этапа цикла Стирлинга включают в себя:всю рабочую жидкость содержится в пространстве расширения, она адсорбирует тепло от внешнего источника тепла, что вызывает его расширение, сжимая силовой поршень и вытеснитель, производящий работу; силовой поршень неподвижен, в то время как вытеснитель, поршень, который перемещает рабочую жидкость между пространствами в двигателе, но не работает, перемещается вверх, выталкивая рабочую жидкость из пространства расширения в пространство сжатия. По пути большая часть тепла, оставшегося в рабочем теле, которое не было преобразовано в работу, передается регенеративному теплообменнику; с рабочим поршнем, закрепленным в верхней части главного цилиндра, рабочая жидкость сжимается в пространстве сжатия до исходного объема, что требует отвода некоторого тепла на холодную сторону двигателя, источник потерянного тепла и, таким образом, потери термический КПД; рабочая жидкость проходит обратно через регенеративный теплообменник, где она рекуперирует большую часть накопленного тепла, и в пространство расширения, где она снова готова к расширению за счет внешнего источника тепла для выполнения работы.

Различные движения силового поршня и вытеснителя (иногда они движутся вместе для процессов с постоянным объемом, в то время как в другое время одно неподвижно, а другое движется для сжатия и расширения) управляются ромбическим двигателем.

Производственный
процесс

Производство компонентов

• 1 Блоки двигателя и поршни изготавливаются литьем. Расплавленную сталь или алюминий выливают в полую форму, имеющую форму конечного желаемого продукта, и дают ей остыть. Блок двигателя с циклом Стирлинга требует места для двух поршневых цилиндров, одного для силового поршня и одного для поршня вытеснителя (который перемещает рабочую жидкость обратно в силовой цилиндр), регенеративного теплообменника, коленчатого вала, камеры сгорания и различных материалов. каналы для перемещения рабочей жидкости вперед и назад между двумя цилиндрами.
• 2 После остывания отливки с нее стачивается посторонний материал. Обычно необходимо завершить отделку блоков цилиндров путем просверливания отверстий, которые невозможно отлить с экономической точки зрения (из-за их размера или сложной геометрии), и расширения цилиндров до окончательного желаемого диаметра. Необходимо рассверливание A. Источник тепла. Б. Регенеративный теплообменник. C. Вытеснитель. D. Рабочий поршень. E. Ромбический привод. F. Картер. G. Шатун буйка. H. Коленчатый вал. 1. Газовые уплотнения. J. Расширительное пространство, в котором нагревается рабочая жидкость. из-за необходимого точного зазора между поршнем и цилиндром.
• 3 Коленчатый вал и шатуны изготавливаются методом ковки или литья. При ковке кусок металлической заготовки, называемой заготовкой, помещается между двумя штампами (штампы - это формы, изготовленные из очень прочной инструментальной стали). Затем на штампы сбрасывают молоток весом в несколько тонн. Заготовку перед ковкой обычно нагревают почти до температуры плавления. Процесс ковки может быть выполнен в несколько этапов с использованием различных штампов для получения окончательной формы. Отливку производят путем заполнения полой формы расплавленным металлом. Металлом может быть высокопрочный чугун, сталь, алюминий или сплав.
• 4 Детали двигателя подвергаются механической обработке с соблюдением окончательных допусков. Окончательная формовка обычно выполняется на токарном станке. Коленчатый вал / шатун / поршень вращается, в то время как резцы (сделанные из более твердого материала, чем обрабатываемая деталь) продвигаются на вращающуюся часть для удаления излишков металла. Современные токарные станки с компьютерным управлением могут легко достичь допусков в 0,0001 дюйма (0,0025 мм). Фрезерный станок, на котором деталь неподвижна, а режущий инструмент вращается, используется для вырезания любых необходимых отверстий, пазов или каналов в готовой детали.
• 5 Рекуперативный теплообменник изготавливается путем пропускания тысяч тонких стальных проволок через стальную пластину. Когда рабочая жидкость перемещается от главного цилиндра к вспомогательному цилиндру, она отдает свое тепло этим штифтам. Штифты, расположенные ближе всего к главному цилиндру, будут самыми горячими. Штифты, расположенные ближе всего к вспомогательному цилиндру, будут самыми крутыми.
• 6 Для питания двигателя цикла Стирлинга можно использовать любой источник тепла, солнечный или сжигаемый. Независимо от источника, тепло концентрируется в камере, непосредственно примыкающей к рабочему поршню. Цикл двигателя удаляет часть этого тепла и заставляет его работать. Поскольку двигатель с циклом Стирлинга является двигателем внешнего сгорания, подводимое тепло может быть постоянным (в отличие от тепла, выделяемого в двигателе внутреннего сгорания при серии взрывов). Однако, поскольку тепло является постоянным, компоненты двигателя, контактирующие с источником тепла, должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать высокие температуры в течение длительного периода времени.

Сборка

• 7 Коленчатый вал вставляется в блок цилиндров и удерживается там подшипниками. Подшипники позволяют коленчатому валу вращаться внутри блока цилиндров без чрезмерного тепловыделения при трении. Подшипники крепятся к блоку цилиндров прессованием (внешний диаметр подшипника немного больше внутреннего диаметра отверстия в блоке цилиндров). При вдавливании подшипника в блок цилиндров подшипник надежно фиксируется на блоке.
• 8 Поршни и шатуны опускаются в цилиндры и прикрепляются к коленчатому валу снизу с помощью высокопрочных болтов и стопорных шайб. Болты затягиваются с заданным моментом.
• 9 Рекуперативный теплообменник вставляется в трубопровод, проходящий между главным цилиндром и вспомогательным цилиндром, и закрепляется на месте болтами.
• 10 Головки цилиндров прикручены к верхней части двигателя, крышка доступа прикреплена к нижней части двигателя. Между блоком цилиндров и крышками используются прокладки, обеспечивающие эффективное уплотнение. Камера источника тепла встроена в крышку главного цилиндра.
• 11 Рабочая жидкость закачивается в двигатель. Рабочей жидкостью обычно является гелий под давлением.

Побочные продукты / отходы

Двигатель цикла Стирлинга производит гораздо больше полезной работы, чем двигатель внутреннего сгорания, из-за количества парниковых газов и химических веществ, образующих смог, которые он выделяет. Двигатель также можно использовать для рекуперации тепла, которое в противном случае было бы потрачено впустую, например, свалочного газа, который он просто сжигал, чтобы избавиться от него. Таким образом, в целом двигатель экологически чистый. Используя солнечное тепло в двигателях цикла Стирлинга, электричество можно производить в областях, не имеющих доступа к электросети, без фотоэлектрических элементов.

Будущее

Будущее двигателя цикла Стирлинга очень светлое. Если бы инженеры могли спроектировать и серийно производить небольшой надежный двигатель с циклом Стирлинга, не было бы необходимости в атомной энергетике или электростанциях, работающих на ископаемом топливе. Большая часть электроэнергии, используемой в домах, может вырабатываться внутри помещений. Двигатель может охлаждать дом летом без использования озоноразрушающих хладагентов и обогревать его зимой. К сожалению, существуют серьезные практические трудности проектирования, которые необходимо преодолеть, прежде чем двигатель цикла Стирлинга сможет найти широкое применение. Самым значительным инженерным препятствием является конструкция камеры сгорания двигателя. Поскольку двигатель с циклом Стирлинга работает при очень высоких температурах, камера сгорания не может быть построена из тех же недорогих материалов, которые используются для производства автомобильных двигателей. Использование высокопрочной нержавеющей стали или керамических композитов помимо того, что они дороги, чрезвычайно затрудняет изготовление двигателя. Другие нетривиальные конструктивные препятствия включают разработку надежного зубчатого механизма для преобразования движений поршня цикла Стирлинга (которые очень сложны по сравнению со стандартным автомобильным двигателем Otto Cycle) в движение коленчатого вала и разработку уплотнений, способных удерживать рабочую жидкость, содержащуюся в двигателе.

Где узнать больше

Книги

Моран, Майкл Дж. И Ховард Н. Шапиро. Основы инженерной термодинамики. 4-е изд. Джон Вили и сыновья, 2000.

Орган, А. Дж. Термодинамика и газовая динамика машины Стирлинга. Издательство Кембриджского университета, 1992.

Уокер, Грэм. Двигатели Стирлинга. Oxford University Press, 1980.

Уокер, Грэм, Грэм Ридер, Оуэн Р. Фобель и Эдвард Бингхэм. Альтернатива Стирлинга, энергетические системы, хладагенты и тепловые насосы. Издательство Gordon and Breach Science, 1996 г.

Другое

Гриссель, Юджин. Домашняя страница. «Анимация цикла Стирлинга». 27 сентября 2001 г. .

«Часто задаваемые вопросы о цикле Стирлинга». Веб-страница американской компании Стирлинг. 27 сентября 2001 г. .

Джефф Рейнс