Двигатели Стирлинга: обзор конструкции, эффективности и применений

История

Двигатели преобразуют энергию в полезную работу. От бензиновых автомобильных двигателей до дизелей в грузовиках, паровых турбин на электростанциях и реактивных двигателей в авиации — каждый дизайн использует тепло от сжигания топлива для выполнения механических задач.

Энергия, способность совершать работу, не может быть полностью преобразована в работу. Например, один галлон (3,8 л) бензина содержит достаточно химической энергии, чтобы вскипятить примерно 14 галлонов (53 л) воды напрямую. Если тот же галлон питает переносной генератор, то полученная электричество, используемое для кипячения воды, даст гораздо меньше — обычно только около 3 галлонов (11 л) — прежде чем генератор остановится.

Это несоответствие возникает, потому что двигатели не являются 100% термически эффективными. Термическая эффективность — отношение полезной работы к входной энергии — снижается, поскольку тепло теряется через выхлопные газы, трение и другие механизмы. Следовательно, газовая плита или сушильная машина часто дешевле в эксплуатации, чем их электрические аналоги.

Наука о том, как тепло циклируется для производства работы — термодинамика. Каждый двигатель работает на определённом термодинамическом цикле: бензиновые — на цикле Отто, дизельные — на цикле Дизеля, паровые установки — на цикле Ранкина. Хотя эти циклы были незаменимы, ни один не может преобразовать всё входное тепло в работу, потому что они должны отвергать тепло в окружающую среду. Цикл Стирлинга предлагает наивысшую практическую термическую эффективность, поскольку он сохраняет наибольшее количество пригодного тепла на каждом цикле.

История

Первым практическим двигателем была паровая машина Джеймса Ватта 1769 года, использовавшая угольные котлы для движения поршней через четырёхступенчатый цикл: поступление пара, расширение, конденсация и возврат. Хотя революционная, паровые машины страдали от потерь энергии в конденсаторе и частых взрывах котлов из-за смешения горячего пара с холодной водой.

В ответ реверенд Роберт Стирлинг, инженер и служитель Церкви Шотландии, придумал двигатель, использующий воздух вместо пара. Исключая необходимость конденсации пара, конструкция Стирлинга снижала потери энергии и повышала безопасность. Однако ограниченная металлургия XIX века не позволяла строить мощные двигатели Стирлинга, и изобилие ископаемого топлива держало паровые и позже ВД двигатели доминирующими.

Сегодня двигатели Стирлинга приводят высокочистое производство сжижённого воздуха, спутниковые приборы и некоторые военно-морские подводные лодки. Их высокая термическая эффективность продолжает привлекать исследования и нишевые применения.

Сырьё

Двигатели Стирлинга могут быть изготовлены из различных металлов. Блок двигателя обычно отливают из чугуна высокой пластичности или алюминиево-кремнистых сплавов. Высокопрочные компоненты — коленвалы и поршни — могут использовать инструментальную сталь S-7. Прокладки и уплотнения делают из Лексана, неопрена или натурального каучука. Рабочее тело — сжатый газ (гелий или воздух). Теплообменные элементы должны выдерживать экстремальные температуры и часто делают из высокопрочной стали или керамических композитов вроде карбида кремния.

Конструкция

Проектирование двигателя Стирлинга интегрирует термодинамику, анализ теплообмена, вибрационный анализ, механическую динамику, материаловедение и машиностроение. Термодинамика задаёт рабочую температуру и размер двигателя; анализ теплообмена обеспечивает эффективный энергообмен; вибрационный анализ балансирует двигатель для плавной работы; механическая динамика и материаловедение определяют прочность компонентов; машиностроение переводит цикл в рабочую машину.

В отличие от паровых машин, двигатели Стирлинга используют газ (воздух, водород или гелий) как рабочее тело и имеют два цилиндра — пространство расширения и пространство сжатия — соединённые поршнем-дисплейсером. Ключевое преимущество — накопление избыточного тепла в регенеративном теплообменнике вместо отвергания в конденсатор, делая его наиболее термически эффективным возможным двигателем.

Типичные автомобильные двигатели достигают ~30% термической эффективности; угольные ТЭЦ ~45%; крупные дизели до 50%. Двигатель Стирлинга при температуре сгорания 1370 °C теоретически может достичь ~78% эффективности, хотя практические конструкции пока не достигают этого идеала.

Двигатели Стирлинга — внешнего сгорания: источник тепла снаружи двигателя, позволяя рабочему телу оставаться свободным от продуктов сгорания и давая менее 5% выбросов оксида азота по сравнению с сравнимыми ВД двигателями.

Цикл Стирлинга состоит из четырёх шагов: 1) Тепло поглощается рабочим телом в пространстве расширения, вызывая расширение и движение рабочего поршня; 2) Поршень-дисплейсер перемещает тело в пространство сжатия, передавая остаточное тепло регенеративному обменнику; 3) Тело сжимается в пространстве сжатия, отдавая часть холода на холодную сторону; 4) Тело проходит обратно через регенеративный обменник, забирая накопленное тепло перед возвратом в пространство расширения. Ромбовый привод координирует движения рабочего поршня и дисплейсера.

Производственный процесс

Изготовление компонентов

• Блоки двигателей и поршни отливают из расплавленной стали или алюминия, затем обрабатывают до точных допусков. Блок содержит два цилиндра, регенеративный теплообменник, коленвал и жидкостные проходы.
• После отливки удаляют излишки материала, просверливают или растачивают отверстия для тесных зазоров. Подробная схема иллюстрирует ключевые компоненты (A–J).
• Коленвалы и шатуны куют или отливают. Ковка включает нагрев заготовки и форму между стальными матрицами; отливка — литьё расплава в форму.
• Прецизионная обработка на токарных и фрезерных станках доводит допуски до 0,0001 дюйма (0,0025 мм).
• Регенеративный теплообменник формируется вставкой тысяч тонких стальных проволок через пластину, создавая плотную сеть для теплопередачи между двумя цилиндрами.
• Источники тепла — солнечные, сгорания или отработанное тепло — непосредственно нагревают главный цилиндр. Поскольку тепло стабильно, компоненты должны выдерживать длительные высокие температуры.

Сборка

• Коленвал усаживают в блоке с подшипниками, минимизирующими трение.
• Поршни и шатуны помещают в цилиндры и болтуют к коленвалу с калиброванным моментом.
• Регенеративный теплообменник вставляют в канал между цилиндрами и фиксируют.
• Головки блоков и крышка источника тепла болтуют, уплотняют прокладками, и камера источника тепла интегрируется в крышку.
• Сжатый гелий или другое рабочее тело накачивают в двигатель.

Побочные продукты и отходы

Двигатели Стирлинга дают значительно больше полезной работы на единицу парниковых газов по сравнению с ВД двигателями. Они также утилизируют отработанное тепло — например, сваловый газ — для генерации электричества, повышая экологичность. Солнечные системы Стирлинга могут производить сетевое электричество в отдалённых локациях без фотоэлементов.

Будущее

Массовое производство надёжных, компактных двигателей Стирлинга могло бы трансформировать жилую генерацию, потенциально устраняя необходимость в атомных или ископаемых ТЭЦ. Однако остаются вызовы: камеры высокотемпературного сгорания требуют дорогой нержавейки или керамических композитов; надёжные зубчатые механизмы должны переводить сложные поршневые движения во вращение коленвала; и уплотнения должны надёжно удерживать рабочее тело.

Где узнать больше

Книги

Моран, Майкл Дж., и Говард Н. Шапиро. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 4-е изд. John Wiley & Sons, 2000.

Орган, А. Дж. Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Machine. Cambridge University Press, 1992.

Уокер, Грэм. Stirling Engines. Oxford University Press, 1980.

Уокер, Грэм, Грэм Ридер, Оуэн Р. Фаубел и Эдвард Биンガм. The Stirling Alternative: Power Systems, Refrigerants and Heat Pumps. Gordon and Breach Science Publishers, 1996.

Другие

Гриссель, Юджин. Домашняя страница. "Animation of a Stirling Cycle." 27 сентября 2001. https://www.dynagen.co.za/eugene/stirlinghtm.

"Stirling Cycle Frequently Asked Questions." American Stirling Company Web Page. 27 сентября 2001. https://www.stirlingengine.com/FAQ.asp.

Джефф Рейнс