Что такое двигатель Стирлинга и какое отношение он имеет к автономной энергетике
Двигатель Стирлинга - это агрегат, который преобразует тепло в механическую энергию. Его можно подключить к генератору и получать электричество. Или к насосу, циркулярке, короче, к любому потребителю механической энергии. Он, в перспективе, очень хорошо подходит для стационарного автономного энергоснабжения. Почему?
1. Может работать на любом топливе. В том числе, на дровах, опилках и т.п. Может сделать Стирлинг, работающий от солнечного тепла или от разности температур воздуха и воды (хотя последний вариант я не рассматриваю всерьез, об этом будет отдельный пункт).
2. Тихая работа и большой моторесурс. Малый расход масла.
3. Простота в обслуживании (особенно, по сравнению с ближайшим аналогом - паровой машиной).
4. Относительно высокий КПД. Гораздо выше, чем у паровой машины, но ниже, чем у ДВС. На получение 1 кВт*ч электроэнергии от хорошо сделанного, мощного любительского Стирлинга будет расходоваться примерно 3-4 кг дров. Можно сравнить это со стоимостью той же энергии, полученной от бензогенератора.
5. Хотя КПД и ниже, чем у ДВС, можно использовать отходящее тепло для нагрева воды. Это повышает суммарную выгоду, извлекаемую из данного двигателя - она оказывается гораздо больше, чем у ДВС. Справедливости ради нужно сказать, что в ДВС такое использование тоже возможно, но для этого нужен дополнительный теплообменник.
На сегодня в серийном производстве по доступной цене таких двигателей нет. Я поставил перед собой задачу разработать такой двигатель, доступный для изготовления силами любителей.
О чем эта страничка
Должен сказать, что задача оказалась мне пока что не по зубам. Но я изучал этот вопрос довольно долго, уже есть чем поделиться. Заодно, в ходе изложения, я рассчитываю привести в порядок собственные знания.
Перед тем, как читать дальше, я рекомендую посмотреть хотя бы на оглавление книги Уолкера. Если что-то будет непонятно, то нужно сначала прочитать эту книгу. Этот текст предназначен, в основном, для специалистов, для тех, кто более-менее ознакомлен с темой двигателей Стирлинга.
Некоторые мифы о двигателях Стирлинга
КПД двигателя Стирлинга равен КПД цикла Карно? Это не так. КПД ЦИКЛА Стирлинга равен КПД цикла Карно. Но в поршневой машине цикл Стирлинга реализовать невозможно. Тот цикл, который реализуется в двигателях Стирлинга - довольно сильно отличается от цикла Стирлинга. Кроме того, имеются неизбежные потери.
Нужен водород или гелий под страшным давлением? Нет, не нужен. Водород или гелий под большим давлением нужны для двигателя, имеющего такие же массогабаритные показатели, как автомобильный ДВС. Если снизить требования к массогабаритным показателям, то можно снизить давление и использовать другие рабочие тела. Известны случаи применения воздуха, аргона, углекислого газа и я даже слышал про пропан, хотя это вызывает сомнение.
Движущиеся части и уплотнения подвержены высокой температуре? Высокой температуре подвержена только одна движущаяся часть - верхняя часть "горячего" поршня. Поршневые кольца размещаются в холодной и охлаждаемой полости. Поэтому, условия работы уплотнений в двигателе Стирлинга гораздо легче, чем в ДВС. Тут, правда, есть не совсем еще понятная мне проблема теплоотвода от "горячего" поршня, о которой я нигде ничего не читал. Но во всяком случае, известно, что уплотнения для Стирлингов делали из фторопласта и такие уплотнения показывали хороший ресурс. Также могут работать обычные уплотнения, с чугунными поршневыми кольцами и смазкой маслом.
Смазка создает непреодолимые трудности? Нет. Нужен только подбор масла. Фирмой Phillips были выпущенными мелкими сериями двигатели серии 102C, имевшие масляную смазку. Поскольку масло с воздухом могут образовывать взрывоопасные смеси, это все же налагает определенные ограничения на давление, достигаемое внутри машины - насколько я знаю, его боятся поднимать более 6 атмосфер. В истории фирмы Филлипс был случай, когда большой двигатель Стирлинга на воздухе взорвался и убил человека. Впрочем, если внутри будет не воздух, а газ, не поддерживающий горение, например, азот, то масло вроде бы не должно взорваться (это лучше уточнить у химиков). Предпринимаются попытки использовать разные другие материалы для уплотнений поршней - фторопласт, материалы под названием "Рулон", "Витон", графит, композиции графита и стекла. При этом, картер делается сухим. Вроде бы, все это может работать достаточно долго, во всяком случае, пару тысяч часов. Также обсуждалась смазка водой и даже делалась машина с такой смазкой, но нет данных о результатах ее испытаний.
Эффективные двигатели были созданы только в XX веке? Нет. Еще братья Стирлинги создали двигатель мощностью 42 л.с. и КПД порядка 18%, работавший в кузнице (можно предположить, что каждый день по многу часов) около 3 лет. В то время не было никаких хороших сталей, никакой термодинамической науки, только опыт и интуиция. В конце XIX века серийно выпускались двигатели малой мощности (до 1 л.с.), которые не отличались высоким КПД, зато очень тихо работали, были весьма надежны, долговечны, нетребовательны к топливу и просты в обслуживании, что позволяло им держать определенную нишу на рынке вплоть до второй мировой войны.
Чего нет в книге Уолкера
Книга Уолкера была написана достаточно давно, с тех пор тема развивалась. Вот - краткий обзор того, что было достигнуто.
Двигатели с приводом Рингбома
Как известно, в двигателе Стирлинга - не менее двух подвижных поршней (либо один поршень и один вытеснитель). Это дает достаточно сложный механизм привода. Двигатели с приводом Рингбома - это двигатели (гамма или бета-типов), в которых вытеснитель приводится в действие с помощью пневмопривода. При этом, сам пневмопривод работает от перепада давления в газовом тракте машины. См. патент США №856102 Была разработана теория таких машин, которая позволила создавать хотя бы работающие прототипы. Зачастую эти прототипы делались путем переделки одноцилиндровых ДВС. Родной поршень ДВС используется как ползун, к нему добавляется шток и второй поршень, который уже является рабочим поршнем двигателя Стирлинга. А привод вытеснителя пневматический, поэтому никаких изменений в конструкцию ДВС больше не нужно. Прототипы такого рода были построены. Однако до практического внедрения, насколько я знаю, дело не дошло. Вся эта история описана в книге James R.Senft "Ringbom Stirling Engines", которую можно купить где-то в Америке. Я покупал ее с помощью пластиковой карты, кажется, она называетcя Visa Electron, и книжку мне доставляли по почте. Все это работает, так что рекомендую.
С моей точки зрения, двигатели с приводом Рингбома не настолько просты, как кажется. Их преимуществом я вижу более подходящий, чем чистые синусоиды, закон движения поршней. Особенно это важно в случае низкого перепада температур. Другое преимущество - это простота кинематического механизма, впрочем, она отчасти компенсируется дополнительными деталями, необходимыми для привода вытеснителя. Недостатком мне кажется то, что пневматически управляемый вытеснитель движется с большим ускорением - его на каждом такте выстреливает, как пробку из бутылки. Впрочем, ударные нагрузки гасятся пневматическими амортизаторами и скорее тут стоит безпокоиться не о прочности, а об уравновешивании и вибрациях. Поскольку закон движения вытеснителя, управляемого пневматически, заранее неизвестен и зависит от конкретных условий в каждый момент (от температуры нагревателя, числа оборотов, нагрузки), то нельзя предусмотреть даже никаких дополнительных балансирующих приспособлений. То есть, можно быть уверенными, что двигатель с приводом Рингбома вовсе не поддается балансировке.
Ну и вообще, тема двигателей с приводом Рингбома - это тема для изследований. При ориентации на практический результат нужно следовать уже опробованным образцам. Поэтому меня эта тема интересует не слишком сильно.
Единственное, что еще хочу отметить, что двигатели Рингбома в чем-то родственны свободно-поршневым двигателям, но они гораздо проще в плане реализации. Оказывается, свободно-поршневые двигатели исключительно сложны из-за того, что закон их движения допускает слишком много степеней свободы. Заставить их при этом работать стабильно, с учетом изменчивости нагрева, нагрузки и деградации уплотнений - задача сверхсложная. Двигатели Рингбома лишены этого недостатка - поршень у них движется за счет механизма, а пневмопривод вытеснителя в определенном режиме работает устойчиво.
Низкотемпературные двигатели
Это - двигатели, работающие на разнице температур от нескольких градусов. Такие двигатели делаются исключительно гамма-типа, у них - плоский вытеснительный цилиндр, вытеснитель с очень коротким ходом, а объем рабочего цилиндра во много раз меньше объема вытеснительного. Они обладают очень маленькой мощностью. Например, машина с вытеснительным цилиндром диаметром в 25см, с приводом Рингбома, при разнице температур в 90 градусов выдавала всего 1 ватт. Много интересных моделей такого рода придумано и реализовано Хубертом Стерховым (Hubert Stierhof), например http://www.geocities.com/hustierhof/MC_SOLAR.html
В основном, они изучаются для использования солнечной энергии. Тут нужно сделать важное замечание, что любой двигатель Стирлинга можно до определенной степени улучшить, увеличивая давление газа. Если бы этот же двигатель можно было накачать газом на 100 атмосфер, то он выдал бы уже 100 ватт. Напрямую это сделать невозможно, так как прочность материалов ограничена, а также ограничена теплопроводность поверхностей подвода и отвода тепла. Однако, это указывает некоторую перспективу для создания низкотемпературных двигателей значительной мощности. Если чуть-чуть пофантазировать на эту тему, то можно представить себе низкотемпературный двигатель сделанный с вогнутым или выпуклым дном, например, на основе баллонов от сжиженного газа. Например, 5-литровый пропановый баллон имеет диаметр порядка 25 сантиметров и его можно накачать до 10-15 атмосфер. То есть, можно себе представить, что из него получится двигатель примерно на 10 ватт при перепаде температур в 90 градусов.
Двигатели с одной движущейся деталью
Такие машины тоже были придуманы. У них есть настоящий рабочий поршень, но вытеснитель в них - "виртуальный". Во-первых, это машина "замедленного нагрева" или Thermal lag engine. В чем ее смысл? Рабочий поршень и стенки рабочего цилиндра - холодные, но из цилиндра имеется переход в горячую камеру - нагреватель. Сначала происходит сжатие воздуха рабочим поршнем, и он вытесняется в горячую камеру. Пока поршень находится в верхней мертвой точке, газ успевает нагреться и его давление увеличивается. Тогда происходит рабочий ход - газ расширяется и толкает поршень. При этом он выходит в рабочий цилиндр и охлаждается. Это охлаждение происходит за то время, когда поршень находится в нижней мертвой точке. Картинку рисовать не буду и даже не просите, но есть патент США Тайлера за номером 5414997, где все написано и нарисовано, правда, по английски. Более того, в патент включено чуть ли не полное описание, как сделать машину, со всеми основными размерами, и показатели ее производительности.
Эта машина просто подкупает своей простотой. Самое приятное - то, что нет никаких особых требований к точному изготовлению горячих частей. А эти горячие части зачастую делаются из нержавейки, должны сочетать в себе точную форму, устойчивость к коррозии, высокую теплопроводность в одних местах и низкую в других, имеют сложную форму и должны держать давление. Уфф, сколько требований.
Но... на самом деле ее рабочий процесс происходит не совсем так, как хотелось бы. Нагрев и охлаждение газа происходят более интенсивно в тот момент, когда газ движется. То есть, следует ожидать, что газ начнет нагреваться уже во время фазы сжатия, а охлаждаться он начнет уже во время фазы расширения. Также, при отсутствии регенератора происходит постоянный контакт нагретого и охлажденного газа между собой, а это ведет к большим термодинамическим потерям.
Я не думаю, что от этой машины можно ожидать сколько-нибудь существенного КПД. Видимо, автор патента столкнулся с этой проблемой на практике, поэтому в патенте нарисована не только самая простая схема, но и более сложные. Работающую машину такого рода с регенератором люди тоже сделали. http://www.stirlingengines.org.uk/thermo/lamina.html Насколько я могу себе представить, там подобный процесс "замедленного нагрева" и "замедленного охлаждения" происходит не только в нагревателе и холодильнике, но и в каждой точке регенератора. Поскольку при этом температурные градиенты между газом и стенкой меньше, то и КПД такой машины должен быть больше (именно эти градиенты ведут к потерям КПД). Может быть, она может быть вообще серьезной машиной, но это нужно пробовать.
Если кто-то когда-то захочет такую машину построить, то пишите - обсудим, что можно сделать. У меня есть еще кое-какие (довольно сырые) идеи на тему того, как сделать машину подобного рода, но обезпечить сдвиг фаз другим образом. Например, используя двухцилиндровый мотоциклетный двигатель с малым фазовым углом между цилиндрами. Основная идея - что в районе верхней мертвой точки газ (уже сжатый) резко прокачивается через нагреватель, имеющий большое гидравлическое сопротивление. Этот процесс чем-то подобен процессу сгорания в ДВС, но сгорание тут внешнее. А вот как охлаждать газ в такой машине - я так до сих пор и не придумал.
Следующая машина с одной движущейся деталью - это термоакустическая машина. Она, по своей сути устроена почти так же, как и машина замедленного нагрева с регенератором, но там колебания поршня происходят со звуковой частотой, и в игру вступает фазовый сдвиг между давлением и перемещением в звуковой волне. В качестве поршня в такой машине можно использовать просто микрофон соответствующей мощности, резонансная частота которого совпадает с частотой звуковых колебаний в цилиндре.
См, например, патент США 4722201. Были какие-то тексты на эту тему, но мне лень искать их адреса. Попробуйте в поиске "Thermoacoustic Heat Engine" и "Natural Heat Engine". Итог моих изысканий состоял в том, что такая машина имеет ничтожную мощность, если ее делать с обычными газами на обычных давлениях. В одном из текстов, которые я прочитал, предлагалось делать такую машину на жидком натрии. Тогда ее мощность будет велика. Они даже провели обнадеживающие эксперименты. Но жидкий натрий... Увольте... Вот если сделать ее с жидкой или меняющей фазу водой или с органическими жидкостями - то тогда еще есть о чем говорить. Впрочем, эту тему я так и не додумал до конца. Похоже, в ней тоже могут быть трудности.
Топка для автономной энергоустановки на двигателе Стирлинга
Сжигание дров для создания электричества отличается от сжигания дров для отопление. При отоплении, важно только то, чтобы в среднем за время топки было выделено нужное количество энергии. При этом, равномерная температура в доме поддерживается за счет теплоемкости печи, предметов в доме, стен, воздуха. Для двигателя этот вариант не подходит. Температура нагревателя должна быть очень стабильной. Кратковременный перегрев может привести к аварии, а кратковременное охлаждение - к остановке двигателя. Поэтому, вопрос сжигания топлива достаточно актуален.
Как передается тепло в двигателе Стирлинга
Тепло, как известно, передается сначала из топки на поверхность нагревателя, а потом - от поверхности нагревателя к воздуху внутри машины. По результатам моих вычислений (надеюсь, они не сильно ушли от истины) получается, что львиная доля энергии должна передаваться излучением, при этом, внутри топки должно быть достаточно горячо - не менее 800-1000С. Естественно, здесь я никаких вычислений выкладывать не буду, но все это можно проверить по методике расчета паровых котлов. Задача примерно одинаковая, отличается только температура нагревателя - в двигателе Стирлинга она может быть выше.
Если температура в топке будет мала, то возникают сложности с самим двигателем - нужно увеличивать поверхность теплообмена, а это сложно. В то же время, перегрев нагревателя опасен его коррозией или разрушением. Обычные стали работают до 450С, и есть разные более дорогие, работающие где-то до 650С. Наверное, можно и еще лучше найти, но все же нужно, чтобы установка имела разумную цену и была технологичной в изготовлении. Поэтому, подача тепла должна быть достаточно равномерной, чтобы не произошел перегрев. Вот эти основные требования и определяют то, как должна быть устроена топка.
Кочегар
Старые машины, которые серийно выпускались в XIX и начале XX века, использовали твердое топливо. Камера сгорания их была похожа на печку-буржуйку. Я предполагаю, что, во-первых, там все время использовался избыточно сильный огонь, а во-вторых, должен был быть специальный человек, который достаточно часто подкладывал и ворошил дрова. При использовании стандартизированного топлива (опилки, гранулы, пеллеты) можно соорудить какую-то систему автоподачи. Тем не менее, все равно возникнет вопрос регулировки горения. Есть следующие варианты:
1. Не регулировать горение, а сделать его избыточным. Примириться с избыточной мощностью печи и использовать избыточное тепло для отопления. Этот вариант накладывает ограничения на КПД самой установки по электричеству. Не могу точно сказать, какова величина этого ограничения - это зависит от многих обстоятельств. Но мне кажется, что при таких условиях электрический КПД машины должен быть 10-15%, а этого не так легко достичь.
2. Регулировать горение без автоподачи, путем механизации заслонки. Видимо, так можно добиться более хороших результатов.
3. Регулировать горение при автоподаче стандартизованного топлива. Для этого варианта нужен еще цикл производства этого стандартного топлива. Ну, если это будут опилки, то, наверное, это не так уж и сложно. Они могут отличаться тремя параметрами: мелкостью фракции, влажностью и породой дерева. Видимо, в течение сезона будут сжигаться более-менее одинаковые опилки, поэтому можно предусмотреть какие-то ручные настройки, чтобы можно было приспособиться к разным видам опилок.
Газогенератор
В XX веке, начиная со времени изследований фирмы Филлипс, машины разрабатывались для жидкого и газообразного топлива. Можно точно сказать, что сжигать такое топливо для получения электричества - гораздо проще. Поэтому, при использовании твердого топлива можно использовать газогенератор. Например, в Датском Техническом институте была разработана установка мощностью до 75 кВт электрических, сжигающая твердое топливо посредством газогенератора. См. http://www.nordicgreen.net/startups/soldclosed/stirling-dk. Мне кажется, что для домашней установки этот вариант не подходит - газогенератор в доме - это не игрушка, да и следить за ним тоже нужно.
Топка медленного горения
Теперь уже все знают печи Булерьян. Можно пытаться приспособить такую печь в качестве нагревателя для Стирлинга. Мешает здесь низкая температура печи. Можно пытаться теплоизолировать Булерьян, тогда его температура должна ОЧЕНЬ сильно возрасти. Но я не знаю, делал ли кто-то что-то подобное и как это делать. Если кто-то знает что-то по этой теме, пожалуйста пишите на budden73()mail.ru, но не забудьте в теме поставить "ecovillage". Также, когда я пользовался этой печью, я увидел, что пламени как такового там нет. То, сколько излучения получит каждая точка внутри печи - зависит от того, как лягут дрова в каждый конкретный момент. Если неудачно получится и излучение будет скрыто от нагревателя двигателя верхним слоем дров, то и достаточного подвода тепла для работы двигателя не будет.
Камера сгорания, использующая древесный уголь
Наилучшее, что я смог придумать в качестве камеры сгорания - это использовать древесный гуоль. Конечно, при этом нужно специальное производство такого угля. Но это производство достаточно просто организовать. Уголь горит жарко, дает равномерную теплоотдачу, его легко помолоть и получить стандартное топливо. Самое главное, что можно использовать конструкции двигателей такие же, как и для газа. Это оказалось очень важно. Ведь те двигатели, которые работали с помощью кочегара и выпускались серийно в XIX-начале XX века - очень материалоемки. Двигатель в 500 ватт весил порядка 600 килограмм, и почти все это был чугун. Соответственно, там использовались цилиндры больших диаметров, которые и сегодня достаточно дорого изготавливать. Как я понимаю, все это было нужно, прежде всего, из-за низкой теплоотдачи топки, в которой набросано что попало и горит как попало. Это требовало больших поверхностей теплообмена, а дальше уже вступает в действие специфика двигателя Стирлинга: большая поверхность теплообмена требует либо большого рабочего объема и низких оборотов, либо немыслимо усложняется конструкция и технология.
Нужен ли аккумулятор в домашней установке?
Этот вопрос я обсуждал с несколькими "потенциальными потребителями". Мнения были разные, но я считаю, что аккумулятор все же нужен. Конечно, потребость в аккумуляторе для Стирлинга несравнима с потребностью для солнечных батарей или ветряка. Ветер дует когда хочет, а Солнце светит только днем. Стирлинг же можно включить в любой момент, когда понадобилось электричество. Но, если электричества нужно гораздо меньше, чем мощность Стирлинга, то он будет работать на частичной нагрузке, т.е. с низким КПД. Конечно, те, кто читал статьи про разработки автомобильных Стирлингов, возразят мне и скажут, что Стирлинг как раз хорошо работает на частичных нагрузках. Но то, что верно для большой установки - неверно для маленькой. В маленьком Стирлинге велика доля тепловых и механических потерь, поэтому он будет иметь максимальный КПД при большой (может быть, даже при максимальной) мощности. То есть, аккумулятор нужен хотя бы для того, чтобы повысить КПД всей установки. Ну, также аккумулятор позволяет питать легкую нагрузку без включения двигателя и тем самым увеличивает общий срок его службы. Тем не менее, повторюсь: для ветряков и солнечных батарей аккумулятор жизненно важен, без них установка вообще неполноценна. Для Стирлингов аккумулятор является вспомогательным устройством, повышающим качество.
А как насчет теплоаккумулятора?
Теплоаккумулятор может быть применим, если получится использовать низкотемпературное тепло для привода двигателя. Но не следует обольщаться - КПД всей установки будет низок, поэтому теплоаккумулятор должен быть очень внушительных размеров. Скорее можно было бы говорить об использовании теплоаккумулятора для покрытия неравномерности горения топки. Например, можно было бы себе представить большую чугунную чушку, установленную в печь, и присоединенную к ней термопару. Чушка одной стороной приделана к нагревателю двигателя, с другой - открыта для обогрева пламенем. За счет своей массы она может содержать какое-то количество тепла. При падении температуры ниже определенной, электронная схема, соединенная с термопарой, начинает подавать сигнал о том, что пора бы подложить дров. При этом остается какой-то запас времени до того, как двигатель заглохнет.
А вот статья про регенератор
Примеры двигателей, которые могут послужить прототипами
Промышленно выпускавшиеся двигатели Стирлинга
Источники информации здесь:
1. The Phillips Stirling Engine, C.M.Hargreaves, Elseiver, 1991
Пара слов о масштабировании
Вопросы конструирования
Гильза горячего цилиндра - нужна ли она
Альфа, бэта или гамма?
Так ли вредно вредное пространство?
Некоторые закономерности, взаимосвязи и компромиссы
Материалы нагревателя
Нагреватель - где же узкое место?
Усилитель нагревателя
Регенераторы
Уплотнение поршня, смазка, взрывоопасность
Варианты привода
Картер под давлением, без давления, или вообще без картера
Нужна ли горячая шапка на поршень и цилиндр?
Моя программа расчёта
ссылкаУщербность метода Шмидта, адиабатной модели и расчёта по числу Била
Метод Шмидта полностью игнорирует все вопросы теплообмена. То же делает и адиабатная модель. Хотя от адиабатной модели есть минимальная польза - она хотя бы позволяет оценить один вид потерь. Расчёт по числу Била говорит о том, что можно ожидать от хорошо сделанной машины, но не даёт никаких указаний на то, как же сделать такую машину.Сильные стороны программы Simple
Программа simple др.Уриели содержит существенные элементы расчёта теплообменников. Особенно хорошо обстоит дело с расчётом сетчатого регенератора - в неё заведены аппроксимации экспериментальных данных по продувке сеток. Так же очень важно, что посчитаны потери на трение газа в теплообменниках.Слабые стороны программы Simple
Расчёт нагревателя и холодильника вряд ли удовлетворителен - используется метод аналогии Рейнольдса, который пригоден для развитого турбулентного течения. Числа Рейнольдса в нагревателях могут быть довольно низкими, особенно для машин низкого давления, и соответствовать переходному или ламинарному режиму
Не учитывается такой важный вид потерь, как челночные потери. Величина челночных потерь велика и они могут существенно снизить КПД
Группы новостей HAES и SESUSA
Альтернативы и экзотика
Критерии жизнеспособности альтернативы
Мансон
Огнелиз
Брайтон
Эриксон
Термокомпрессор
Флюидайн
Стирлинг с перепуском
Цикл Карно с вентилятором
Регенеративный паровой двигатель
Низкотемпературные двигатели Стирлинга
Почему они имеют именно такую форму
Жидкое рабочее тело, твердое или газ?
Почему в холодильниках используется паровой цикл, а не цикл Стирлинга?
Книги онлайн, ссылки, библиография
Итоги и перспективы
Англо-русский словарь
BTU - British Thermal Unit, 1055.05585262 Дж
