Stirlinga dzinējs

By | maijs 23, 2022

“Stirlinga dzinējs” ir siltumdzinēju saimē. Tas ir slēgta cikla reģeneratīvs karstā gaisa (vai citas pastāvīgas gāzes) dzinējs. Slēgts cikls nozīmē, ka sistēmā ir fiksēts ‘darba šķidruma’ daudzums. Nav ieplūdes, nav izplūdes.

Stirlinga dzinēju pirmo reizi patentēja 1816. gadā Dr. Roberts Stērlings. Sākotnējais patents vairāk koncentrējās uz “The Economizer”, kas bija siltuma apmaiņas iekārta, kas bija pirmām kārtām interese par izmantošanu kā pirmo saules ūdens sildītāja iemiesojumu.

Sākotnēji Stirlinga dzinēju izstrādāja Roberts Stērlings un viņa brālis Džeimss. Tā rezultātā tika iegūti daudzi patenti, un 1818. gadā pirmo mārciņu mārciņu izmantoja, lai sūknētu ūdeni karjerā. Pēc turpmākas izstrādes tika izstrādāti daudzi patenti dažādiem uzlabojumiem, tostarp spiediena palielināšanai, kas tieši ietekmēja dzinēja darba apjomu vai spēku. Apmēram 1845. gadā. Līdz tam laikam šī dzinēja jauda bija sasniegta tādā līmenī, lai tas varētu darbināt visu Dandī čuguna lietuves iekārtu.

Dzinējs tika reklamēts kā ļoti degvielu taupošs, un tas tika uzskatīts par drošāku alternatīvu tā laika tvaika dzinējiem, kuros bija daudz nāvējošu negadījumu ar eksplodējošiem katliem. Tomēr, ņemot vērā nepieciešamo siltumu un nepieciešamo apmaiņas līmeni, kā arī tā laika materiālus, Stirlinga dzinējs nekad nevarēja radīt tvaika dzinējam nopietnu konkurenci, un 1930. gadu beigās Stirlings tika pilnībā aizmirsts galvenajā zinātnē un rūpniecībā. un tikai nepāra rotaļlietās un mazos ventilācijas ventilatoros.

Ap šo laiku Philips, lielais elektrisko un elektronisko iekārtu ražotājs, plānoja paplašināt savu radioaparātu tirgu apgabalos, kur strāvas avots vai bateriju padeve tika uzskatīta par nestabilu. Otrā pasaules kara laikā Philips turpināja pilnveidot Stirlinga dzinēju un patiešām guva komerciālus panākumus tikai ar apgrieztā Stirlinga dzinēja krio dzesētāju. Tomēr Philips izņēma diezgan daudz patentu un ieguva daudz informācijas par Stirlinga dzinēju.

Tā kā Stirlinga dzinējs ir slēgts cikls, tas satur fiksētu gāzes masu, ko sauc par “darba šķidrumu”, visbiežāk gaisu, ūdeņradi vai hēliju. Normālā darbībā dzinējs ir noslēgts, un gāze neietilpst dzinējā un neizplūst no tā. Atšķirībā no cita veida virzuļdzinējiem vārsti nav nepieciešami. Stirlinga dzinējs, tāpat kā lielākā daļa siltuma dzinēju, veic četrus galvenos procesus: dzesēšanu, kompresiju, sildīšanu un izplešanos. To panāk, pārvietojot gāzi uz priekšu un atpakaļ starp karsto un auksto siltummaini. Karstais siltummainis ir termiskā kontaktā ar ārēju siltuma avotu, piemēram, kurināmā degli, un aukstais siltummainis atrodas termiskā kontaktā ar ārēju siltuma izlietni, piemēram, gaisa ribām. Gāzes temperatūras izmaiņas izraisīs atbilstošas ​​gāzes spiediena izmaiņas, savukārt virzuļa kustība izraisa gāzes pārmaiņus izplešanos un saspiešanu.

Gāze seko uzvedībai, kas aprakstīta gāzes likumos, kas apraksta, kā gāzes spiediens, temperatūra un tilpums ir saistīti. Kad gāze tiek uzkarsēta, jo tā atrodas noslēgtā kamerā, spiediens paaugstinās, un tas pēc tam iedarbojas uz jaudas virzuli, radot jaudas gājienu. Kad gāze tiek atdzesēta, spiediens pazeminās, un tas nozīmē, ka virzulim ir jādara mazāk darba, lai saspiestu gāzi atpakaļgaitas gājienā, tādējādi nodrošinot lietderīgo jaudu.

Kad viena virzuļa puse ir atvērta atmosfērai, darbība ir nedaudz atšķirīga. Kad darba gāzes noslēgtais tilpums nonāk saskarē ar karsto pusi, tas izplešas, strādājot gan ar virzuli, gan atmosfēru. Kad darba gāze saskaras ar auksto pusi, atmosfēra iedarbojas uz gāzi un to “saspiež”. Atmosfēras spiediens, kas ir lielāks par atdzesēto darba gāzi, spiež virzuli.

Rezumējot, Stirlinga dzinējs izmanto temperatūras starpību starp karsto un auksto galu, lai izveidotu fiksētas gāzes masas ciklu, kas dzinējā izplešas un saraujas, tādējādi pārvēršot siltumenerģiju mehāniskajā jaudā. Jo lielāka ir temperatūras starpība starp karsto un auksto avotu, jo lielāka ir iespējamā Carnot cikla efektivitāte.

Stirlinga dzinēju plusi un mīnusi

Prost

  • Tie var darboties tieši no jebkura pieejamā siltuma avota, ne tikai no sadegšanas radītā, tāpēc tos var izmantot, lai darbinātu siltumu no saules, ģeotermālajiem, bioloģiskajiem, kodolenerģijas avotiem vai jebkura rūpnieciskā procesa siltuma pārpalikumu.

  • Siltuma padevei var izmantot nepārtrauktu sadegšanas procesu, tāpēc lielāko daļu emisiju var ievērojami samazināt.

  • Lielākajai daļai Stirlinga dzinēju tipu ir gultnis un blīves dzinēja vēsajā pusē; līdz ar to tiem nepieciešams mazāk smērvielas un tie kalpo ievērojami ilgāk starp kapitālremontiem nekā citiem virzuļdzinēju tipiem.

  • Dzinēja mehānismi savā ziņā ir vienkāršāki nekā citiem virzuļdzinēju tipiem, proti, nav nepieciešami vārsti, un degvielas degļu sistēma var būt salīdzinoši vienkārša.

  • Stirlinga dzinējā tiek izmantots vienfāzes darba šķidrums, kas uztur iekšējo spiedienu tuvu projektētajam spiedienam, un tādējādi pareizi projektētai sistēmai sprādziena risks ir salīdzinoši zems. Salīdzinājumam, tvaika dzinējs izmanto divfāžu gāzes/šķidruma darba šķidrumu, tāpēc bojāts drošības vārsts var izraisīt pārspiediena stāvokli un potenciāli bīstamu sprādzienu.

  • Dažos gadījumos zems darba spiediens ļauj izmantot vieglus cilindrus.

  • Tos var būvēt tā, lai tie darbotos ļoti klusi un bez gaisa padeves, no gaisa neatkarīgai piedziņai lietošanai zemūdenēs vai kosmosā.

  • Tie ieslēdzas viegli (lai gan lēni, pēc iesildīšanās perioda) un darbojas efektīvāk aukstā laikā, atšķirībā no iekšdedzes, kas siltā laikā ieslēdzas ātri, bet ne aukstā laikā.

  • Stirlinga dzinēju, ko izmanto ūdens sūknēšanai, var konfigurēt tā, lai sūknētais ūdens atdzesētu kompresijas telpu. Tas, protams, ir visefektīvākais, sūknējot aukstu ūdeni.

  • Tie ir ārkārtīgi elastīgi. Tos var izmantot kā koģenerāciju (kombinēto siltumu un enerģiju) ziemā un kā dzesētājus vasarā.

  • Siltuma pārpalikums ir salīdzinoši viegli novācams (salīdzinājumā ar iekšdedzes dzinēja izlietoto siltumu), tāpēc Stirlinga dzinēji ir noderīgi divu izvades siltuma un elektroenerģijas sistēmām.

Mīnusi

Jaudas un griezes momenta problēmas

  • Stirlinga dzinēji, īpaši tie, kas darbojas ar nelielām temperatūras atšķirībām, ir diezgan lieli attiecībā uz to radīto jaudu (ti, tiem ir zema īpatnējā jauda). Tas galvenokārt ir saistīts ar zemo gāzveida konvekcijas siltuma pārneses koeficientu, kas ierobežo siltuma plūsmu, ko var sasniegt iekšējā siltummainī, līdz aptuveni 4 – 20 W / (m * K). Tādējādi dzinēja projektētājam ir ļoti grūti pārnest siltumu uz darba gāzi un no tās. Temperatūras un/vai spiediena starpības paaugstināšana ļauj Stirlinga dzinējiem ražot vairāk jaudas, pieņemot, ka siltummaiņi ir paredzēti paaugstinātai siltuma slodzei un spēj nodrošināt nepieciešamo konvekcijas siltuma plūsmu.

  • Stirlinga dzinējs nevar iedarbināties uzreiz; tai burtiski vajag “iesildīties”. Tas attiecas uz visiem ārējās iekšdedzes dzinējiem, taču Stirlings var būt īsāks uzsilšanas laiks nekā citiem šāda veida dzinējiem, piemēram, tvaika dzinējiem. Stirlinga dzinējus vislabāk izmantot kā nemainīga ātruma dzinējus.

  • Stirlinga jauda mēdz būt nemainīga, un, lai to pielāgotu, dažkārt var būt nepieciešama rūpīga konstrukcija un papildu mehānismi. Parasti jaudas izmaiņas tiek panāktas, mainot dzinēja darba tilpumu (bieži vien izmantojot kloķvārpstas izkārtojumu) vai mainot darba šķidruma daudzumu, vai mainot virzuļa/izspiestāja fāzes leņķi, vai dažos gadījumos vienkārši mainot dzinēja slodzi. Šis īpašums ir mazāks trūkums hibrīdās elektriskās piedziņas vai “bāzes slodzes” komunālo pakalpojumu ražošanā, kur faktiski ir vēlama pastāvīga jauda.

Gāzes izvēles problēmas

  • Ūdeņraža zemā viskozitāte, augstā siltumvadītspēja un īpatnējais siltums padara to par visefektīvāko darba gāzi termodinamikas un šķidruma dinamikas ziņā, ko izmantot Stirlinga dzinējā. Tomēr, ņemot vērā augsto difūzijas ātrumu, kas saistīts ar šo zemas molekulmasas gāzi, ūdeņradis iztecēs caur cietu metālu, tāpēc ir ļoti grūti uzturēt spiedienu dzinēja iekšienē kādu laiku, neaizvietojot gāzi. Parasti ir jāpievieno palīgsistēmas, lai uzturētu pareizu darba šķidruma daudzumu. Šīs sistēmas var būt gāzes uzglabāšanas pudele vai gāzes ģenerators. Ūdeņradi var iegūt vai nu ar ūdens elektrolīzi, vai skābes reakcijā uz metālu. Ūdeņradis var izraisīt arī metālu trauslumu. Ūdeņradis ir arī ļoti viegli uzliesmojoša gāze, savukārt hēlijs ir inerts.

  • Lielākajā daļā tehniski progresīvo Stirlinga dzinēju, piemēram, tie, kas izstrādāti Amerikas Savienoto Valstu valdības laboratorijām, kā darba gāze tiek izmantots hēlijs, jo tas darbojas tuvu ūdeņraža efektivitātei un jaudas blīvumam, un ir mazāk materiālu ierobežošanas problēmu. Hēlijs ir salīdzinoši dārgs, un tas ir jāpiegādā ar pudelēs pildītu gāzi. Viens tests parādīja, ka ūdeņradis GPU-3 Stirlinga dzinējā ir par 5% absolūti (24% relatīvi) efektīvāks nekā hēlijs.[14]

  • Daži dzinēji kā darba šķidrumu izmanto gaisu vai slāpekli. Šīs gāzes ir mazāk termodinamiski efektīvas, taču tās samazina gāzes ierobežošanas un padeves problēmas. Saspiesta gaisa izmantošana saskarē ar viegli uzliesmojošiem materiāliem vai vielām, piemēram, smēreļļu, rada sprādzienbīstamību, jo saspiestais gaiss satur augstu skābekļa parciālo spiedienu. Tomēr skābekli var noņemt no gaisa, izmantojot oksidācijas reakciju, vai var izmantot pudelēs pildītu slāpekli.

Izmēru un izmaksu problēmas

  • Stirlinga dzinēju konstrukcijām ir nepieciešami siltummaiņi siltuma padevei un siltuma padevei, un tiem jāsatur darba šķidruma spiediens, kur spiediens ir proporcionāls dzinēja jaudai. Turklāt izplešanās puses siltummainis bieži ir ļoti augstā temperatūrā, tāpēc materiāliem ir jābūt izturīgiem pret siltuma avota korozīvo iedarbību un ar zemu šļūde (deformācija). Parasti šīs materiālu prasības ievērojami palielina dzinēja izmaksas. Augstas temperatūras siltummaiņa materiālu un montāžas izmaksas parasti veido 40% no kopējām dzinēja izmaksām. (Hārgreivss)

  • Visiem termodinamiskajiem cikliem efektīvai darbībai ir nepieciešamas lielas temperatūras atšķirības; tomēr ārdedzes dzinējā sildītāja temperatūra vienmēr ir vienāda ar izplešanās temperatūru vai pārsniedz to. Tas nozīmē, ka metalurģijas prasības sildītāja materiālam ir ļoti augstas. Tas ir līdzīgs gāzes turbīnai, taču ir pretstatā Otto dzinējam vai dīzeļdzinējam, kur izplešanās temperatūra var ievērojami pārsniegt dzinēja materiālu metalurģisko robežu, jo siltuma avota ievade netiek vadīta caur dzinēju; tātad dzinēja materiāli darbojas tuvāk darba gāzes vidējai temperatūrai.

  • Atkritumu siltuma izkliedēšana ir īpaši sarežģīta, jo dzesēšanas šķidruma temperatūra tiek uzturēta pēc iespējas zemāka, lai palielinātu siltuma efektivitāti. Tas palielina radiatoru izmērus, kas var apgrūtināt iepakošanu. Līdztekus materiālu izmaksām tas ir bijis viens no faktoriem, kas ierobežo Stirlinga dzinēju pieņemšanu kā automobiļu galveno dzinēju. Tomēr citiem lietojumiem liels jaudas blīvums nav vajadzīgs, piemēram, kuģu dzinējspēkam un stacionārām mikroģenerācijas sistēmām, kurās izmanto siltuma un elektroenerģijas koģenerāciju (CHP).[13]

    Stirlinga dizainam ir daudz iespējamo lietojumu. Vairāk pētījumu un izstrādes palīdzēs virzīt tehnoloģiju tālāk.

Atbildēt

Jūsu e-pasta adrese netiks publicēta.