Stirlings motor

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 22. juni 2022; checks kræver 2 redigeringer .

Stirlingmotor  - en varmemotor, hvor arbejdsvæsken i form af en gas eller væske bevæger sig i et lukket volumen, en type ekstern forbrændingsmotor . Den er baseret på periodisk opvarmning og afkøling af arbejdsvæsken med udvinding af energi fra den resulterende trykændring. Det kan fungere ikke kun fra brændstofforbrænding , men også fra enhver varmekilde.

Historie

Stirling-motoren blev første gang patenteret af den skotske præst Robert Stirling den 27. september 1816 (engelsk patent nr. 4081 1819). Imidlertid var de første elementære "varmluftsmotorer" kendt så tidligt som i slutningen af ​​det 17. århundrede , længe før Stirling. Stirlings præstation er tilføjelsen af ​​en node, som han kaldte "økonomi".

I moderne videnskabelig litteratur kaldes denne node en " regenerator ". Det øger motorens ydeevne ved at holde varmen i den varme del af motoren, mens arbejdsvæsken afkøles. Denne proces forbedrer systemets effektivitet betydeligt. Oftest er regeneratoren et kammer fyldt med tråd, granulat, korrugeret folie (korrugeringerne går i retning af gasstrømmen). Gassen, der passerer gennem fyldstoffet i den ene retning, afgiver varme til regeneratoren, og når den bevæger sig i den anden retning, tager den den væk. Regeneratoren kan være ekstern i forhold til cylindrene, eller den kan placeres på fortrængerstemplet i β- og γ-konfigurationer. I sidstnævnte tilfælde er maskinens dimensioner og vægt mindre. Delvis udføres regeneratorens rolle af mellemrummet mellem forskyderen og cylinderens vægge (med en lang cylinder forsvinder behovet for en sådan enhed helt, men der opstår betydelige tab på grund af gassens viskositet). Ved α-stirling kan regeneratoren kun være ekstern. Den er installeret i serie med varmeveksleren, hvori arbejdsvæsken opvarmes, fra siden af ​​det kolde stempel.

I 1843 brugte opfinderens bror James Stirling denne motor på en fabrik, hvor han arbejdede som ingeniør på det tidspunkt. [1] I 1938 investerede Philips i en Stirling-motor med over 200 hestekræfter og over 30 % effektivitet. Stirling-motoren har en række fordele og blev meget brugt i dampmaskinernes æra.

Beskrivelse

I det 19. århundrede ønskede ingeniører at skabe en sikker erstatning for datidens dampmaskiner, hvis kedler ofte eksploderede på grund af høje damptryk og uegnede materialer til deres konstruktion. En god mulighed kom med skabelsen af ​​Stirling-motoren, som kunne konvertere enhver temperaturforskel til arbejde. Det grundlæggende princip for Stirling-motoren er den konstant skiftende opvarmning og afkøling af arbejdsvæsken i en lukket cylinder. Normalt fungerer luft som arbejdsvæske , men der bruges også brint og helium . Freoner, nitrogendioxid, flydende propan-butan og vand blev testet i en række prototyper. I sidstnævnte tilfælde forbliver vand i flydende tilstand i alle dele af den termodynamiske cyklus. Funktioner ved "stirling" med en flydende arbejdsvæske er små dimensioner, høj effekttæthed og høje driftstryk. Der er også en "stirling" med en tofaset arbejdsvæske. Det er også kendetegnet ved høj specifik effekt, højt arbejdstryk.

Det er kendt fra termodynamikken , at trykket , temperaturen og volumen af ​​en ideel gas hænger sammen og følger loven , hvor:

Det betyder, at når en gas opvarmes, øges dens volumen, og når den afkøles, falder den. Når den opvarmes, virker gassen (skubber f.eks. et stempel) og afkøles. Det er lettere at komprimere en afkølet gas end at holde en ekspanderende varm (der "bruges mindre arbejde" på at komprimere en kold gas, end der frigives arbejde ved opvarmning og ekspansion af den samme gas). Denne egenskab ved gasser er grundlaget for driften af ​​Stirling-motoren.

Stirling-motoren er reversibel. Hvis akslen roteres af en ekstern kraft, vil gassen opvarmes på den ene side af arbejdsvolumenet, og på den anden side afkøles den.

Stirling-motoren bruger Stirling-cyklussen , som er lige så termodynamisk effektiv som Carnot-cyklussen , og har endda en fordel. Faktum er, at Carnot-cyklussen består af isotermer og adiabater, der adskiller sig lidt fra hinanden. Den praktiske gennemførelse af denne cyklus er ikke lovende. Stirling-cyklussen gjorde det muligt at få en motor, der i praksis fungerer i en acceptabel størrelse.

Stirling-cyklussen består af fire faser og er adskilt af to overgangsfaser: opvarmning, ekspansion, overgang til en kold kilde, afkøling, kompression og overgang til en varmekilde. Når man går fra en varm kilde til en kold kilde, udvider gassen i cylinderen sig og trækker sig sammen. I dette tilfælde ændres trykket, på grund af hvilket nyttigt arbejde kan opnås.

Opvarmning og afkøling af arbejdsvæsken (afsnit 4 og 2) produceres af regeneratoren. Ideelt set er mængden af ​​varme, der afgives og fjernes af regeneratoren, den samme. Nyttigt arbejde udføres kun på grund af isotermer, det vil sige, det afhænger af temperaturforskellen mellem varmeren og køleren, som i Carnot-cyklussen.


Driftscyklus for β-type Stirling-motor:

hvor: a - forskydningsstempel; b - arbejdsstempel; c - svinghjul; d - brand (varmeområde); e - køleribber (køleområde).

  1. En ekstern varmekilde opvarmer gassen i bunden af ​​varmevekslercylinderen. Det genererede tryk skubber arbejdsstemplet op (forskydningsstemplet passer ikke tæt mod væggene).
  2. Svinghjulet skubber fortrængningsstemplet ned og flytter derved den opvarmede luft fra bunden til kølekammeret.
  3. Luften afkøles og trækker sig sammen, arbejdsstemplet går ned.
  4. Forskydningsstemplet stiger, hvorved den afkølede luft flyttes til bunden. Og cyklussen gentager sig.

I Stirling-maskinen er bevægelsen af ​​arbejdsstemplet forskudt med 90 ° i forhold til bevægelsen af ​​forskydningsstemplet. Afhængigt af tegnet på dette skift kan maskinen være en motor eller en varmepumpe. Ved et skift på 0° udfører maskinen ikke noget nyttigt arbejde.

Stirling-motorer, der kører på andre cyklusser

Stirling-cyklussen betragtes som et uundværligt tilbehør til Stirling-motoren. Samtidig viser en detaljeret undersøgelse af funktionsprincipperne for mange designs, der er skabt til dato, at en betydelig del af dem har en driftscyklus, der er forskellig fra Stirling-cyklussen. For eksempel har α-stirling med stempler med forskellige diametre en cyklus, der ligner Ericsson-cyklussen . β- og y-konfigurationer, som har en temmelig stor diameter af stempel-forskydningsstangen, indtager også en mellemposition mellem Stirling- og Ericsson-cyklerne.

Når forskyderen bevæger sig i β-konfigurationen, sker ændringen i tilstanden af ​​arbejdsvæsken ikke langs isochore, men langs en skrå linje mellem isochore og isobar . Med et vist forhold mellem stangdiameteren og forskyderens totale diameter kan der opnås en isobar (dette forhold afhænger af driftstemperaturerne). I dette tilfælde spiller stemplet, som tidligere var en arbejder, kun en hjælperolle, og forskydningsstangen bliver en rigtig arbejder. Den specifikke effekt af en sådan motor er omkring 2 gange større end i den sædvanlige "stirling", lavere friktionstab, da trykket på stemplet er mere jævnt. Et lignende billede er i α-stirlings med forskellige stempeldiametre.

En motor med et mellemdiagram kan have en belastning jævnt fordelt mellem stemplerne, det vil sige mellem arbejdsstemplet og fortrængningsstangen.

En vigtig fordel ved at motoren kører på Ericsson-cyklussen eller tæt på den er, at isochoren erstattes af isobaren eller en proces tæt på den. Når arbejdsvæsken udvider sig langs isobaren, er der ingen trykændringer, ingen varmeoverførsel, bortset fra overførsel af varme fra regeneratoren til arbejdsvæsken. Og denne opvarmning gør straks nyttigt arbejde. Ved isobarisk kompression overføres varme til kølevæsken.

I Stirling-cyklussen, når arbejdsvæsken opvarmes eller afkøles langs isochoren, opstår der varmetab på grund af isotermiske processer i varmeren og køleren.

Konfiguration

Ingeniører klassificerer Stirling-motorer i tre forskellige typer:

Der er også varianter af Stirling-motoren, der ikke falder ind under ovenstående tre klassiske typer:

Tekniske hændelser omfatter en "to-lejet motor", som i det væsentlige er en "stirling" med en fast arbejdsvæske (strømmen af ​​en elektrisk svejsemaskine opvarmer lokalt lejekuglerne, hvilket fører til deres lokale "bulning" og ekstrudering i én retning ), såvel som "stirling" med en flydende arbejdsvæske (det udvikler et enormt drejningsmoment, men på grund af manglen på kompressibilitetsegenskaber i væsker, kræver det en meget skarp, næsten øjeblikkelig overførsel af fortrængeren fra en position til en anden i nærheden af arbejdsstemplets dødpunkter; dette er ikke særlig foreneligt med væskers viskositet).

Ulemper

Fordele

Stirling-motoren har dog fordele, der tvinger den til at blive udviklet.

Ansøgning

Stirling-motoren er anvendelig i tilfælde, hvor der er behov for en lille termisk energiomformer, som er enkel i designet, eller når effektiviteten af ​​andre varmemotorer er lavere: for eksempel hvis temperaturforskellen ikke er nok til at drive en damp- eller gasturbine .

Universelle kilder til elektricitet

Stirling-motorer kan bruges til at omdanne al varme til elektricitet. Forhåbninger er knyttet til dem for oprettelsen af ​​solenergianlæg. De bruges som autonome generatorer til turister. Nogle virksomheder producerer generatorer, der fungerer fra brænderen på en gaskomfur. NASA overvejer muligheder for Stirling-baserede generatorer drevet af nukleare og radioisotopvarmekilder [5] . En specialdesignet Stirling Radioisotope Generator (ASRG) vil blive brugt i NASAs planlagte Titan Saturn System Mission [6]

Pumper

Effektiviteten af ​​varme- eller kølesystemer øges, hvis en tvungen cirkulationspumpe er installeret i kredsløbet. Installation af en elektrisk pumpe reducerer systemets overlevelsesevne, og i ikke-autonome husholdningsstrømsystemer er det ubehageligt, fordi elmåleren "vinder op" en håndgribelig mængde. En pumpe, der anvender princippet fra Stirling-motoren, løser dette problem.

"Stirling" til pumpning af væsker kan være meget enklere end det sædvanlige "motorpumpe"-skema. I en Stirling-motor kan der i stedet for et arbejdsstempel bruges en pumpet væske, som samtidig tjener til at afkøle arbejdsvæsken.

En pumpe baseret på en Stirling-motor kan bruges til at pumpe vand ind i kunstvandingskanaler ved hjælp af solvarme, til at levere varmt vand fra en solfanger til et hus (i varmesystemer forsøger de at installere en varmeakkumulator så lavt som muligt, så vandet går til radiatorerne ved tyngdekraften).

Stirling-pumpen kan bruges til at pumpe kemikalier, fordi den er hermetisk forseglet.

En stirlingpumpe med flydende stempel bruger en anden cyklus end Stirling-cyklussen. Hans idealiserede PV-diagram er rektangulært og består af to isochorer og to isobarer. Effektiviteten er omkring 2 gange dårligere end Carnot-cyklussen (og Ericsson-cyklussen) for den samme temperaturforskel.

Varmepumper

Varmepumper giver dig mulighed for at spare på opvarmningen [7] . Funktionsprincippet er det samme som et klimaanlæg (et klimaanlæg er den samme varmepumpe), kun klimaanlægget køler normalt rummet ved at opvarme det omgivende rum, og varmepumpen opvarmer som regel rummet ved at afkøle den udendørs luft, vand fra en brønd eller anden kilde til lavkvalitets varme. Typisk anvendes varmepumper drevet af el. Men elektricitet i en række lande produceres på termiske kraftværker, der forbrænder gas, kul, brændselsolie, og som følge heraf er den kalorie, der modtages fra en sådan varmepumpe, ikke billigere end den, der opnås ved afbrænding af gas. En enhed, der kombinerer en Stirling-motor og en Stirling-varmepumpe, gør situationen mere gunstig. Stirling-motoren overfører spildvarme fra den "kolde" cylinder til varmesystemet, og den resulterende mekaniske energi bruges til at pumpe yderligere varme, der tages fra miljøet. En hybrid varmepumpe "stirling-stirling" er enklere end en kombination af to stirling-maskiner. Der er ingen fungerende stempler i enheden overhovedet. De trykforskelle, der opstår i motoren, bruges direkte til at overføre varme med varmepumpen. Enhedens indre rum er forseglet og tillader brugen af ​​arbejdsvæsken under meget højt tryk.

Køling

Næsten alle køleskabe bruger de samme varmepumper. Med hensyn til kølesystemer viste deres skæbne sig at være lykkeligere. En række producenter af husholdningskøleskabe kommer til at installere Stirlings på deres modeller. De vil have større besparelser, og de vil bruge almindelig luft som arbejdsvæske.

Ultralave temperaturer

Stirling-motoren kan også køre i køletilstand (omvendt Stirling-cyklus ). For at gøre dette sættes den i gang af enhver anden ekstern motor (inklusive ved hjælp af en anden Stirling). Sådanne maskiner viste sig at være effektive til at gøre gasser flydende. Hvis der ikke kræves store mængder (for eksempel i et laboratorium), er "stirlings" mere rentable end turbineenheder .

Små "Stirlings" er fordelagtige at bruge til afkøling af sensorer i ultrapræcise enheder.

Ubåde

Fordelene ved "stirling" førte til, at så langt tilbage som i første halvdel af 1960'erne indikerede flådens opslagsværker muligheden for at installere luftuafhængige Stirling-motorer på svenskfremstillede ubåde af Schöurmen- typen . Imidlertid fik hverken Sjöurmens eller Nakkens og Vesterjötlands , der fulgte dem , disse kraftværker. Og først i 1988 blev hovedubåden af ​​typen Nakken ombygget til Stirling-motorer. Med dem gik hun under vand i mere end 10.000 timer. Det var med andre ord svenskerne, der åbnede æraen med anaerobe hjælpefremdrivningssystemer i undervandsskibsbygning. Og hvis Nakken er det første forsøgsskib af denne underklasse, så blev Gotlands -klassens ubåde de første serielle både med Stirling-motorer, som giver dem mulighed for at blive under vand uafbrudt i op til 20 dage. I øjeblikket er alle ubåde fra den svenske flåde udstyret med Stirling-motorer, og svenske skibsbyggere har allerede udarbejdet teknologien til at udstyre ubåde med disse motorer ved at skære i et ekstra rum, som rummer det nye fremdriftssystem. Motorerne kører på flydende ilt, som senere bruges til vejrtrækning, har et meget lavt støjniveau, og de ovenfor nævnte ulemper (størrelse og køling) er ikke væsentlige i en ubåd.

De seneste japanske ubåde af typen Soryu er udstyret med 4 Kawasaki Kockums V4-275R Stirling-motorer, 8.000 hk. Med.

På nuværende tidspunkt betragtes Stirling-motoren som en lovende single all-mode motor til 5. generations ikke-nukleare ubåde.

Energiakkumulatorer

Det kan bruges til at lagre energi ved hjælp af varmeakkumulatorer med smeltet salt som varmekilde. Sådanne batterier er overlegne med hensyn til energilagring i forhold til kemiske batterier og er billigere. Ved at bruge en ændring i fasevinklen mellem stemplerne til at justere effekten, er det muligt at akkumulere mekanisk energi ved at bremse motoren. I dette tilfælde bliver motoren til en varmepumpe.

Solenergianlæg

Stirling-motoren kan bruges til at omdanne solenergi til elektrisk energi. For at gøre dette er Stirling-motoren installeret i fokus for et parabolsk spejl (ligner i form til en parabol), så opvarmningsområdet konstant er oplyst. Den parabolske reflektor styres i to koordinater, når den følger solen. Solens energi er fokuseret på et lille område. Spejle reflekterer omkring 92 % af den solstråling, der falder på dem. Arbejdsvæsken i en Stirling-motor er normalt brint eller helium .

I februar 2008 opnåede Sandia National Laboratory en effektivitet på 31,25% i et setup bestående af en parabolsk reflektor og en Stirling-motor [8] .

Stirling Energy Systems arkivkopi dateret 31. marts 2019 på Wayback Machine har udviklet solfangere med høj effekt - op til 150 kW pr. spejl. Virksomheden byggede verdens største solcelleanlæg i det sydlige Californien , men kom til kort konkurrence, da priserne på subsidierede solceller faldt.

Noter

  1. Stirlingmotor - beskrivelse . hotairengines.org . Hentet 19. juni 2020. Arkiveret fra originalen 6. juni 2020.
  2. Diagram over en roterende Stirling-motor . Dato for adgang: 27. januar 2015. Arkiveret fra originalen 22. november 2014.
  3. ↑ 1 2 Matskerle Yu Moderne økonomisk bil. - Moskva: Mashinostroenie, 1987.
  4. Funktionsprincippet for Stirling-motoren . Hentet 7. august 2018. Arkiveret fra originalen 7. august 2018.
  5. * membran. Lunar atomkraftværket tog en lav start i test på Jorden (utilgængeligt link) . Membrana (17. august 2009). - Om udviklingen af ​​et måneatomkraftværk ved hjælp af Stirling-motorer. Hentet 24. september 2009. Arkiveret fra originalen 21. august 2011. 
  6. NASA's Planetary Science Division-opdatering arkiveret 21. juni 2009 på Wayback Machine (23. juni 2008).
  7. Vasiliev G. P., Khrustachev L. V., Rozin A. G., Abuev I. M. et al. Retningslinjer for brugen af ​​varmepumper, der bruger sekundære energiressourcer og ikke-traditionelle vedvarende energikilder // Moscows regering Moskomarchitectura, State Unitary Enterprise "NIAC", 2001. - 66 s.
  8. " Ny effektivitetsrekord sat arkiveret 23. november 2008 på Wayback Machine "

Links