Стирлинг 2015 – промежуточные результаты
версия 2, 2015-05-28
2. Там смелых немало лежит (опыт предшественников)
3.1. Смазка всех частей маслом
3.2.1.Концепция внешнего нагревателя
3.2.2.Цилиндрический оребрённый нагреватель
3.2.2.Температура внутренней стенки нагревателя – 220-300С
3.2.3.Топка без подогревателя воздуха
3.3.1.Температура холодильника +50C
3.3.2.Сброс тепла в окружающую среду
3.4.Внутренняя часть двигателя
3.4.1.Проблема "Масло и регенератор" разрешима
3.4.2.Рабочее тело – гелий или водород
3.4.3.По закону не опасно 15 атмосфер
3.4.4.Водородная хрупкость не страшна
3.4.5.Смешанная компоновка альфа-гамма
3.4.6. Кривошипно-шатунный механизм, ползун
3.4.7.Полностью герметичная машина
4.2.Конструкция и сборка рабочего контура
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.
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
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.
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