Сайт малая энергетика Розин М.Н. Будяк Д.В.


Главная

Пара слов об авторе

Что такое киловатт-час?

Потребление энергии в частном доме

Правда жизни: без топлива - никак

Возможен ли вечный двигатель?

Как искать патенты

Энергия ветра

Самодельный генератор на постоянных магнитах

Самодельный ветряк с лопастями из шпона

Статья о древесных гранулах и сравнении их с другими видами топлива

Самодельная ветроустановка с вертикальной осью вращения

Самодельный трех лопастный ветряк с автомобильным генератором переделанным на постоянные магниты

Самодельный автоматический котел на древесных гранулах

Самодельный ветряк с лопастями из алюминиевой трубы с самодельным генератором

Самодельный тихоходный ветряк

Схема электрическая тихоходного ветряка

Самодельный ветряк с самодельным генератором

Ветряк в сельском доме - опыт и раздумья

Книги, архивы метеоданных

Наш ветряк с задней ступицей от ВАЗ-2109, доклад, авг 2012, pdf

Наш ветряк - доклад, фотографии и смета (zip)

Возобновляемая энергетика на Родосе

Теория идеального ветряка или в чем ошибка Владимира Сидорова

Знак вопроса

Перевод инструкции к программе Profili

Быть или не быть?

Ветрогирлянды

Что такое число Рейнольдса?

Теория паруса

Теория идеального ветряка

Расчет лопастей ветряка

Старинный ветряк, сохранившийся в курском областном музее.

Вопросы по расчету лопастей

Расчет минимального ветра, необходимого для страгивания ветряка

Концентраторы ветрового потока

Ветровая энергия для дома

Оптимальный угол атаки в ветряке

Винт-турбина

Поляры плоской пластины и желобков, а также GOE417A

Как изготовить деревянные лопасти для ветряка

Программа для трансформации профилей

Идеальный коэффициент использования энергии ветра.

Г. X . САБИНИН ТЕОРИЯ ИДЕАЛЬНОГО ВЕТРЯКА

Программа для расчета потерь напора

Парашютный ветряк

Энергия воды

Энергия равнинных рек - что ждать?

Самодельная мини гидроэлектростанция Кимкетовых

Принцип работы гидротарана и расчетные формулы.

Статья из довоенной технической энциклопедии про гидротаран.

Самодельная микро ГЭС. Часть 1. Напорная установка

Теория и расчет напорной микро ГЭС

Теория и расчет пропеллерной проточной микро ГЭС

Турбина Пельтона. Физика работы и основные формулы.

Энергия Солнца

Несколько слов об энергии Солнца

Возобновляемая энергетика на Родосе

Электрооборудование

Сложности при изучении магнетизма.

Как измерить характеристики неизвестного магнита?

Расчет магнитного поля в железе генератора.

Расчет бандажа для постоянных магнитов

Электрогенераторы ВИНДЭК для ветряков и микро ГЭС

Электрические характеристики велосипедного генератора

Электрические характеристики генератора Г303В

Определение внутреннего сопротивлениия генератора

Устройство автомобильных генераторов

Книги и ссылки

Авторское право

Карта сайта

__________

 


>>Стирлинг

Стирлинг 2015 – промежуточные результаты

 

версия 2, 2015-05-28

 

1. История болезни. 1

2. Там смелых немало лежит (опыт предшественников) 2

2.1. Цели поиска. 2

2.2.Успешные примеры.. 2

2.2.1.Kockums/SOLO/SES. 2

2.2.2.Infinia. 3

2.3.Менее успешные примеры.. 3

2.4.Бытовой холодильник. 4

2.5.Выводы.. 4

3. Концепция. 4

3.1. Смазка всех частей маслом.. 4

3.1.1.Выбор масла. 4

3.2.Нагреватель. 5

3.2.1.Концепция внешнего нагревателя. 5

3.2.2.Цилиндрический оребрённый нагреватель. 5

3.2.2.Температура внутренней стенки нагревателя – 220-300С.. 5

3.2.3.Топка без подогревателя воздуха. 5

3.2.4.Аккумулятор теплоты.. 5

3.3.Холодильник. 6

3.3.1.Температура холодильника +50C.. 6

3.3.2.Сброс тепла в окружающую среду. 6

3.4.Внутренняя часть двигателя. 6

3.4.1.Проблема "Масло и регенератор" разрешима. 6

3.4.2.Рабочее тело – гелий или водород. 6

3.4.3.По закону не опасно 15 атмосфер. 7

3.4.4.Водородная хрупкость не страшна. 7

3.4.5.Смешанная компоновка альфа-гамма. 7

3.4.6. Кривошипно-шатунный механизм, ползун. 7

3.4.7.Полностью герметичная машина. 8

3.4.8.Картер, магнитная муфта. 8

3.4.9.Смазка. 8

4.Облик прототипа. 8

4.1.Датчики. 9

4.2.Конструкция и сборка рабочего контура. 9

5.Облик промышленной машины.. 10

5.1.Регулирование мощности. 10

6.Выводы.. 10

Литература. 10

 

1. История болезни

Интерес к Стирлингам возник у меня не позднее 2006 года. Были попытки разработать проект полезного Стирлинга на дровах, однако ожидаемые результаты были умеренными и я переключился на другой проект. В 2014-2015 годах прорабатывался вопрос аккумулирования электроэнергии в виде тепла, см. http://www.itp.nsc.ru/conferences/mzhz_2015/files/S05_Bydak.pdf . В этом контексте было решено проработать тему Стирлинга ещё раз.

С начала 2015 года проведена определённая работа. Переписана заново программа расчёта цикла, budden / cl-stirling-engine — Bitbucket . Продумана новая концепция двигателя, описанная в данном документе. Частично проработана конструкция двигателя и отдельных узлов.

 

2. Там смелых немало лежит (опыт предшественников)

2.1. Цели поиска

Хороший стирлинг должен быть эффективным, и иметь конкурентоспособную стоимость электроэнергии. Стоимость электроэнергии зависит срока жизни двигателя и от частоты обслуживания. Что входит в понятие "обслуживание", обычно поставщиками не раскрывается. Поскольку известно, что регенератор засоряется, а нагреватель трескается, мы вправе подозревать, что обслуживание подразумевает замену регенератора или нагревателя, т.е. самых дорогих деталей. В этом случае получим неприемлемую стоимость электроэнергии.

Поэтому для уверенности в успехе желательно найти примеры стирлингов, которые долго работает без обслуживания. В этом случае для оценки стоимости энергии достаточно знать стоимость установки и удельный расход топлива.

2.2.Успешные примеры

2.2.1.Kockums/SOLO/SES

Шведская Kockums поставляла лицензии и/или двигатели для SES (тех самых, которые добились рекордного КПД солнечной электростанции, а потом обанкротились), SOLO (рис.1, когенераторы на 10 кВт, ныне банкроты).  Также Kockums делали двигатели для шведских подводных лодок. Теперь Kockums куплены SAAB.

Двигатель SOLO в разрезе

Рис.1. Двигатель SOLO в разрезе [http://www.teploysila.es/MOTORES%20STIRLING.htm].

Kockums начали с покупки лицензий у Филипс, а значит, используют большой накопленный опыт. Машины Kockums имеют высокий КПД машины от низшей теплоты сгорания топлива до мощности на валу – до 42% с водородом, 39% - с гелием. Они используют масляный картер и безмасляный рабочий тракт, которые отделены специальными уплотнениями. Заявлено время работы без обслуживания на водороде – не менее 10000 часов, на гелии – 18000 часов без обслуживания [http://www.globalsecurity.org/military/world/europe/kockums.htm].

Дополнительным источником примеров реализации технологии "смазываемый механизм движения – несмазываемые уплотнения" являются поршневые компрессоры [Пластинин]. Картинки с изображением конструкций таких компрессоров можно увидеть здесь: http://www.castanet-sa.fr/en/products/rod-pressure-packings

Поршневой компрессор с несмазываемыми уплотнениями

Хотя машина SOLO выглядит упрощённой по сравнению с этой картинкой, сходство просматривается.

2.2.2.Infinia

Infinia (банкрот) занималась свободно-поршневыми двигателями. Они заявляли о 10-летнем сроке работы своих двигателей при КПД машины от подводимого тепла к эл. мощности в 29% [White].

У Infinia множество патентов, но неизвестно, какова конструкция их долговечных машин. В любом случае, неустранимым недостатком свободно-поршневого двигателя является малая скорость движения "ротора" магнитной системы относительно "статора", что приводит к удорожанию электрической части и к увеличению массы движущихся частей, либо к снижению КПД электрогенератора.

2.3.Менее успешные примеры

Из свободно-поршневых машин сегодня на рынке существует Viessmann Vitotwin Mikro KWK с электрической мощностью до 1 кВт, КПД до 15% при температуре нагревателя до 650С и стоимостью установки, включащей конденсационный котёл, около 1 млн. руб. Рабочее тело – гелий. В 2013 году были сообщения о проблемах с этим двигателем, [https://www.forumhouse.ru/threads/189069/page-3].

"Vitotwin 300-W к сожалению еще не доработан. Посмотрел на немецких форумах, у всех начинаются проблемы с блоком Стирлинге после примерно 3000 часов работы. А иногда гораздо чаще. Падает выработка эл. энергии с 1 квт. до 800-900 ватт у всех после 3000 часов. И это при немецкой аккуратности и исполнительности. В принципе меняется легко, но ...  запчасти даже в Германии дорогие.... Иногда увеличивается после ремонта шумность."

Также существует похожий Английский аналог.

Некоторое время на рынке пребывала фирма Whispertech c 4-цилиндровым кинематическим двигателем, заполненный азотом, они использовали сухой картер и несмазываемые уплотнения поршня. Имеется работа [Field Trials with a WhisperGen Stirling Engine], в которой сообщено, что двигатель ломается примерно через 4000 часов. Затратив около 40 лет на разработку и выведение своего продукта на рынок, WhisperGen обанкротилась.

Также много лет известен, но массового применения не нашёл любительский двигатель ST-05G кинематический, с сухим картером. Его ресурс до износа уплотнений составляет около 1000 часов.

Philips MP1002CA – машина на воздухе при 9-15 атм, смазываемая маслом. Она не нашла своего места на рынке. Согласно руководству пользователя, эта машина умеренно долговечна (2000 часов до ремонта), однако оценочный КПД системы в 4,7% слишком низок.

2.4.Бытовой холодильник

Помимо стирлинов, мы изучали ещё другие технологии. В каждом доме есть бытовой холодильник. Он содержит поршневую машину (компрессор) с принудительной смазкой всех деталей (включая поршень) маслом. Её моторесурс составляет десятки тысяч часов, при этом она необслуживаемая. Относительный КПД теплового насоса из не слишком крупного компрессора и электродвигателя (холодильная мощность 5-10кВт) достигает 50% с учётом потерь в электродвигателе [Якобсон, Малые холодильные машины, стр. 52-53]. Вот это хороший пример для подражания!

2.5.Выводы

На основании изучения примеров и математического моделирования мы сделали для себя вывод, что воздух, азот и сухой картер в кинематических машинах являются тупиковыми путями развития – на этом пути никому не удалось создать массовый продукт. Значит, нужно искать что-то другое и мы это другое нашли. 

3. Концепция

3.1. Смазка всех частей маслом

Предлагается сделать стирлинг, где все детали будут смазываться маслом, как в холодильнике. Чем принципиально отличается двигатель Стирлинга от холодильника? Температурой. В холодильнике, согласно [Рей, Макмайкл, Тепловые насосы] рабочее тело не нагревается выше 120-130С.

В обычном Стирлинге типичная температура нагревателя – около 650С.

Что делать?

Снизить температуру до температуры стабильности масла.

3.1.1.Выбор масла

Вапора – самые теплостойкие смазочные масла. Поршни водородных компрессоров смазываются вапорами [Пластинин, стр.108]. [Лукомский, стр. 34] сообщает, что под подушкой инертного газа цилиндровое масло Вапор-Т работает при температурах 280С в течение года без существенного образования отложений.

При детализации в этом направлении мы столкнулись с определёнными трудностями разного рода, которые пока не преодолены. Самая главная трудность - вязкость вапоров при рабочей температуре уплотнений и механизма движения слишком высока, а позволить себе два масла в герметичной необслуживаемой машине мы не можем. Работоспособность других масел при 280С ещё предстоит доказать.

Но уже известно, что моторное масло в районе поршневых колец в ДВС, где есть доступ кислорода, топлива и продуктов его неполного сгорания, работает до 220С [ http://www.oil-club.ru/vliyanie-temperatur-na-otlozheniya-v-dvi/ ]. Пока что на начальном этапе мы устанавливаем температуру нагревателя 220С и выбираем моторное масло, а дальше будем её повышать по мере накопления опыта использования масел при высоких температурах.

Здесь необходима серия экспериментов.

3.2.Нагреватель

3.2.1.Концепция внешнего нагревателя

Теплоизолированная дровяная печь – каменка накапливает тепло в слое камней. В каменке находится стальная, возможно, оребрённая, труба большой длины, в которой находится сжатый газ. Эта труба проходит также через внешнюю сторону нагревателя Стирлинга. Циркуляция газа через трубу – принудительная с помощью вентилятора с длинным валом, что позволяет разместить его подшипники и привод двигателя в холодном месте. Привод осуществляется от отдельного электродвигателя или от вала двигателя через магнитную муфту.

Такая концепция в нашем случае имеет следующие преимущества:

-      за счёт снижения температуры нагревателя можно обойтись без подогревателя воздуха, а значит, не нужно его чистить

-      нет необходимости регулировать процесс горения

-      можно интенсивно протопить печь в течение короткого времени, а затем долго получать электроэнергию из накопленного тепла.

3.2.2.Цилиндрический оребрённый нагреватель

Позаимствована из Philips MP1002CA. Цилиндрический нагреватель, оребрение с внутренней и наружной стороны. В прототипе будем делать эрозионной обработкой оба вида рёбер, но можно и по-другому.

3.2.2.Температура внутренней стенки нагревателя – 220-300С

Эту температуру мы выбрали для стабильности масла, но она оказалась выгодной для внешнего нагревателя. Увеличивается КПД внешнего нагревателя. Типичная дровяная печь имеет КПД порядка 70%. Она греет кирпичные каналы, вряд ли они нагреты до 650С. Чем выше температура нагреваемой поверхности, тем меньше тепла она примет, тем горячее будут отходящие газы и тем ниже КПД процесса передачи тепла. Поэтому "настоящие" стирлинги в обязательном порядке имеют рекуператор тепла отходящих газов. В случае использования низкосортных топлив естественно ожидать, что эти детали будут засоряться смолами и золой, порождая постоянные проблемы при эксплуатации. Отсюда вытекает ещё одно решение.

3.2.3.Топка без подогревателя воздуха

Мы не проводили расчётов, но вполне очевидно, что 650С – это близко к температуре дымовых газов и пламени, поэтому подогреватель воздуха необходим для высокого КПД, а наши температуры гораздо ниже. Кроме того, открытые конструкции печи-каменки сами по себе могут иметь свойства регенератора тепла.

3.2.4.Аккумулятор теплоты

Аккумулятор  теплоты прорабатывался нами ранее в рамках других проектов. Он проработан не полностью, однако некоторые оценки сделаны. Собственно теплоаккумулирующая ёмкость может представлять из себя теплоизолированную кирпичную или металлическую печь-каменку. При КПД системы двигатель-генератор в 11%, ёмкости аккумулятора с металлическим корпусом в 1м3 без учёта теплоизоляции, при перепаде температур 340С-260С ёмкость по электричеству составит около 3,3кВт*ч, стоимость аккумулятора на единицу ёмкости – 9,6 тыс.руб/кВт*ч электричества, это примерно равно стоимости ёмкости свинцовых аккумуляторов с учётом допустимой глубины разряда 30%. Длительность саморазряда от 340С до 260С – порядка недели. Такой теплоаккумулятор имеет следующие преимущества:

-      можно протопить печь один раз и затем долго крутить стирлинг и получать электричество; нет проблемы управления мощностью горения печи;

-      нет свинцовых аккумуляторов, которые токсичны и быстро изнашиваются;

3.3.Холодильник

3.3.1.Температура холодильника +50C

Температура холодильника должна быть фиксированной, поскольку уплотнения поршня находятся при этой температуре. Вязкость большинства масел очень резко меняется с температурой, затруднительно создать механизм, хорошо работающий в широком диапазоне температур. Температура должна быть не слишком большой, поскольку при этом падает КПД двигателя, и не слишком маленькой, чтобы можно было использовать отходящее тепло или хотя бы эффективно сбросить его в окружающую среду. 50С – это наш выбор для прототипа на этапе разработки.

3.3.2.Сброс тепла в окружающую среду

Наиболее удобный способ – это воздушный теплообменник с охлаждением свободной конвекцией. Однако он может оказаться слишком дорогостоящим, в этом случае можно применить вентилятор и взять теплообменник от кондиционера или радиатор от автомобиля. Нужно лишь убедиться в совместимости по допустимому давлению. Понадобится ещё одна петля со сжатым газом и вентилятором для его циркуляции. Чем выше температура холодильника, тем проще сбросить тепло.

3.4.Внутренняя часть двигателя

3.4.1.Проблема "Масло и регенератор" разрешима

Известна проблема, что масло коксуется в регенераторе стирлинга. Однако, у нас масло работает в диапазоне своей термической стабильности, то оно не должно коксоваться и это условие у нас выполнено. Тем не менее, регенератор представляет из себя по сути фитиль для масла (проволоки с мелкими ячейками), и масло может в нём застревать. Простое (но непроверенное) решение этой проблемы состоит в том, чтобы вывести часть этого фитиля вниз на достаточно большую глубину, чтобы масло стекало по нему в специально подготовленный поддон. В любом случае, регенератор, смоченный маслом, обладает бОльшим гидравлическим сопротивлением, чем сухой, это нужно учесть при разработке.

3.4.2.Рабочее тело – гелий или водород

Как написано в пункте 2, воздух и азот мы исключили уже на этапе изучения опыта и мат. моделирования из-за их плохих характеристик. Например, в одном варианте рабочего контура переход с воздуха на водород позволяет увеличить КПД в 1,3 раза, либо увеличить мощность в 4 раза за счёт увеличения числа оборотов при сохранении такого же КПД.

Естественная последовательность развития такова: сначала гелий, потом водород. Гелий годится для начальной отладки, для богатых потребителей, для районов лёгкой транспортной доступности и для повышенных требований по безопасности. Водород – для остальных применений. Известны проблемы проницаемости водорода и гелия. В случае гелия необходим баллон для подзаправки (но ещё предстоит выяснить, насколько часто она понадобится), а в случае водорода можно попробовать генерировать его на месте, например, окислением алюминия водой. Такие генераторы существуют. В этом случае можно сразу получать водород высокого давления, достаточного для работы машины. Это избавляет от необходимости доставки гелия, что может оказаться неприемлемо дорого в удалённых местностях.

[Sunpower] предупреждает, что испарение органических веществ изоляции генератора может повредить газовые подшипники в свободнопоршневых машинах. Нам это не грозит, однако накопление большого количества посторонних газов ухудшает показатели рабочего тела. С этой точки зрения, использование постоянно работающего генератора водорода и отвод избыточного давления из машины представляют возможность избавиться от посторонних газов.

3.4.3.По закону не опасно 15 атмосфер

Высокое давление необходимо для создания достаточно компактного двигателя. Согласно нашему пониманию документа [Регламент Евразийского Союза "О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением"], мы имеем право заключить водород (а уж тем более гелий и азот) в смеси с маслом в сосуд объёмом не более литра при давлении до 20 атм или в больший сосуд при пропорциональном снижении давления. Этого вполне достаточно для мощностей машины порядка сотен ватт, а возможно, и до киловатта, без учёта трубопроводов.

Однако, мы имеем право заключить газ также и в достаточно тонкие трубопроводы, их объём не оговаривается регламентом (насколько я его понял). Это решает проблему создания петли подвода теплоты.

На начальном этапе давление будет 7 атм – для безопасности.

3.4.4.Водородная хрупкость не страшна

Имеются Российские и международные стандарты, согласно которым существует множество совместимых с водородом металлических и неметаллических материалов. В частности, сталь 20 при выбранном нами давлении совместима с водородом до 290С, стали 12Х18Н10Т – до более высоких температур. Также совместима резина. Есть определённые указания на совместимость терморасширенного графита – его применяют в качестве прокладок.

3.4.5.Смешанная компоновка альфа-гамма

В ходе математического моделирования мы выработали смешанную компоновку "альфа-гамма" или "кинематический рингбом". В ней шток вытеснителя имеет увеличенный диаметр. Уплотнения штоков с большим диаметром, как нам представляется, более надёжны. Компоновка выгодна и с термодинамической точки зрения – лучше согласован размер горячей и холодной полости. В обычной гамме энергия для движения вытеснителя передаётся от рабочего поршня через несколько подшипников и коленвал, при этом её часть теряется. У нас вытеснитель сам выполняет достаточную работу для своего движения и помогает крутить коленвал. За счёт этого внутренние потоки механической энергии в машине снижаются, вместе с механическими потерями.

3.4.6. Кривошипно-шатунный механизм, ползун

Кривошипно-шатунный хорошо изучен, он может быть спроектирован долговечным. У вытеснителя будет ползун, а рабочий поршень – сам себе ползун. Возможно, он будет выполнен так же, как в ДВС, с юбкой. Материалы поршней – чугун или сталь. Подшипники пока не определены, это зависит от вязкости масла. Возможно, что придётся разработать более одного вида подшипников на разную вязкость.

3.4.7.Полностью герметичная машина

Водород и гелий – газы с большой проницаемостью. Чтобы не иметь проблем от уплотнений, заключаем машину в герметичную полость и вместе с ней заключаем либо генератор, либо ведущую сторону магнитной муфты. При выбранной температуре 50С в среде лёгкого газа под высоким давлением будет обезпечено приемлемое охлаждение обмоток генератора. Генератор можно сделать более компактным, чем аналогичный генератор, работающий на воздухе, и с более высоким КПД. Магнитная муфта имеет относительно низкий КПД, поэтому годится только для лабораторных стендов.

3.4.8.Картер, магнитная муфта

Эти части пока не проработаны, однако имеются книжки, в которых описаны различные подходящие варианты реализации. Ясно только то, что картер будет под средним давлением рабочего тела.

3.4.9.Смазка

Система смазки не разработана, но готовые решения можно взять из двигателестроения и компрессоростроения. На начальных этапах вероятно использование внешнего маслонасоса с отдельным приводом, что даёт дополнительную возможность регулирования. Остался открытым вопрос о возврате масла из рабочего контура в картер. Источником энергии для такого возврата может служить пульсация давления в рабочем контуре. Возможно, достаточно будет сделать внутри рабочего контура поддон для сбора масла и гидравлический обратный клапан без подвижных частей, предпочтительно пропускающий масло из поддона в масляный поддон картера, но не наоборот.

4.Облик прототипа

Параметры прототипа приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Параметры машины - прототипа

Компоновка

 гамма с толстым штоком

Количество цилиндров

 1 рабочий, 1 вытеснитель

Диаметр цилиндров

 55мм

Диаметр штока

 24мм (имеется фальш-шток в рабочем цилиндре, уменьшающий его полезный объём)

Ход поршней

 24мм

Нагреватель

 кольцевой, с продольными рёбрами, ст.20

Холодильник

 такой же

Регенератор

 металлические сетки

Корпус регенератора и вытеснителя

 нерж.ст

 

Прототип ставит целью показать, что у нас что-то крутится, а также быть рабочей лошадкой для отработки вопросов смазки и т.п. Поэтому для начала выбираем рабочее гелий, снижаем давление, температуру нагревателя и выводим двигатель в режим оборотов выше оптимальных. По мере отладки повышаем давление и температуру, переходим на водород. Форсированный режим предназначен для выработки максимальной мощности в ущерб КПД и долговечности.

 

Таблица 2. Расчётные режимы работы прототипа

Параметр

Безопасный режим

Номинальный режим

Форсированный режим

Температура нагревателя,С

220

290

320

Температура холодильника,С

50

40

40

Частота вращения, об/мин

1500

1500

3000

Рабочее тело

Гелий

Водород

Водород

Среднее давление,ата

7,4

15

15

Индикаторная мощность,Вт

40

210

401

Индикаторный КПД,%

12

24

21

 

В КПД не учтены перетечки через уплотнения, механическое трение, КПД генератора, привод вентиляторов. С учётом этих потерь можно ожидать КПД системы машины в 2-3 раза ниже КПД машины.

 

В прототипе будет применён электрический нагрев.

Примерная компоновка на рисунках.

 Примерная компоновка двигателя Стирлинга - 1Примерная компоновка двигателя Стирлинга - 2

 

 

4.1.Датчики

Необходимо установить датчики давления в рабочем контуре и в картере. Возможно, удастся подобрать или изготовить дифференциальный датчик для измерения перепада давлений на теплообменниках.

Также нужны будут датчики температуры. Как минимум, один – на нагревателе, для управления его работой. 

Тахометр.

Тормоз.

4.2.Конструкция и сборка рабочего контура

Использование сварки постараемся свести к минимуму, пайку полностью исключим ввиду отсутствия сведений о поведении припоев в среде водорода. Сборка будет на прокладках, резьбовых соединениях, за счёт посадки с натягом и т.п.. В качестве прокладочного материала будем использовать резину, терморасширенный графит, а на горячей стороне, возможно, стальные прокладки. На поршнях – кольца, как в ДВС. Уплотнение штока – с плоскими разрезными уплотняющими элементами, см. [Пластинин, стр. 359] или с разрезными упругими кольцами [Пластинин, стр. 374]. Все уплотнительные кольца постараемся сделать из текстолита.

5.Облик промышленной машины

Рабочий контур не меняется. Добавляется петля внешнего нагрева, подводящая тепло от аккумулятора к нагревателю. Будет представлять из себя такие же, как и нагреватель, продольные разрезы на теле нагревателя, только выполненные снаружи. Сам внешний нагреватель будет сделан из промышленно изготавливаемой спирально оребрённой трубы с приварными рёбрами. Циркуляционный вентилятор будет либо с электроприводом (с длинным валом, позволяющим разместить двигатель в холодной части), либо с приводом от коленвала (через гипоидную или коническую передачу).

Машина становится не менее, чем 2-цилиндровой из-за необходимости избавиться от колебаний давления в картере, которые ведут к большим механическим потерям (могут привести к неработоспособности двигателя). Наиболее естественной в случае альфа-гаммы представляется 4-цилиндровая компоновка аксиально-поршневая или рядная. Оба варианта привода широко применяются в технике. В номинальном режиме выходная электрическая мощность составит 280-400 Ватт при КПД системы 8-12%, а в форсированном – 0,5-1 кВт при КПД 7-11%.

5.1.Регулирование мощности

Мы проверили на мат. моделях, что Стирлинг позволяет регулировать мощность за счёт оборотов в довольно широких пределах при сохранении высокого КПД. Для дальнейшего снижения мощности можно регулировать температуру нагревателя - такой способ используется в машинах Viessmann.

Эти методы просты и позволяют вынести сложность из двигателя на электрическую часть. Однако они инерционны, поэтому понадобится небольшой буферный аккумулятор электроэнергии (например, батарея суперконденсаторов).

6.Выводы

Принято несколько решений, которые приводят к существенному удешевлению изготовления (простая конструкция нагревателя из ст20 с малой длиной реза, потенциально может быть выполнена фрезерованием, минимальное использование нержавеющей стали, относительно дешёвые сетки регенератора с достаточно крупными ячейками), а также, при Божьем произволении, к существенному увеличению моторесурса. Также упрощается конструкция внешнего нагревателя (отказ от подогревателя воздуха и от регулирования горения).

Литература

Лукомский = Лукомский Высокотемпературные теплоносители и их применение.

Пластинин = Пластинин П.И.-ПОРШНЕВЫЕ_КОМПРЕССОРЫ том 2 2008, стр. 108

White = M.A.White. Combining the best in free piston and kinematic stirling machines: the multi cylinder free piston stirling engine//proceedings of the 12th international stirling engine conference and technology exhibition, 2005

Sunpower = The developing of stirling engines at sunpower, inc.//2nd international conference on Stirling Engines, Shanghai, China, 1983

Остальные названия источников приведены в тексте.

 

Денис Будяк, 2015-05-25

 


К оглавлению проекта

 

Аккумулирование

Аккумулирование и локальные энергосети

Электроэнергия из теплоаккумулятора

Газовые аккумуляторы

Энергия смешивания воздуха с водой

Энергия из воздуха: список ссылок и патентов"

Моя модель энергетической башни (видео)

Дождливые башни - не всё так страшно

Дождливая башня превращается в ледянящую

Электричество из тепла

Правда жизни: без топлива - никак

Промышленно выпускавшиеся двигатели Стирлинга

Двигатель стирлинга мощностью 44 вт

Моя программа расчёта Стирлинга

Книга Уолкера по двигателям Стирлинга

Расчёт криокулера с циклом Стирлинга (djvu)

Модельный Стирлинг из пробирки

Ищем активные сообщества по Стирлингам

Как сделать маленькую паровую машину, 1913 год

Как сделать мощную паровую машину, 1913 год

Мощные промышленные паровые машины Spilling, pdf

Термоэлектричество

Теория вихревых турбомашин, tif

Сайт Дубинина В.С.

ДВС

Вода в бензине - из истории вопроса

Взрыв пыли - к вопросу о твёрдотопливном ДВС

Проектируем свой Стирлинг

Заглавная страница проекта Стирлинга

Про уплотнения из графита

Отчёт о состоянии проекта – июнь 2015

Техническая концепия системы

Экономическая концепия проекта

Водород в двигателе Стирлинга

Журнал изменений проекта

Ищем активные сообщества по Стирлингам

Моя программа расчёта Стирлинга

Самодельные топливные элементы

Топливные элементы с прямым окислением угля (DCFC)

Оригинальная статья автора изобретения (1896 год) в Русском переводе

Опыты фирмы SARA

Обзор зарубежных публикаций

Мои опыты по DCFC в 2005 г.

Состояние работ на сентябрь 2010 года

Лабораторная работа N1 (Open Office)

Дневники некоторых опытов

Методичка по изготовлению уголька(Open Office)

Программы для управления экспериментом

Программирование

Программы для опытов по DCFC/УТЭ

Введение в Common Lisp для профессионалов Delphi/SQL

Мой старый .emacs (utf-8)

Примеры метапрограммирования в программе Mathematica

__________


К началу страницы