Современный двигатель стирлинга

Устройство

Коллекторный двигатель состоит обычно из ротора (якоря), статора, щёток и тахогенератора:

1. Ротор — это вращающаяся часть, статор — это внешний магнит.
2. Щётки, сделанные из графита – это основная часть скользящих контактов, через которую на вращающийся якорь подаётся напряжение.
3. Тахогенератор – это прибор, который отслеживает характеристики вращения. В случае нарушения равномерности движения, он корректирует поступающее в двигатель напряжение, тем самым делая его более плавным.
4. Статор может содержать не один магнит, а, например, 2 (2 пары полюсов). Также, вместо статических магнитов, здесь могут быть использованы и катушки электромагнитов. Работать такой мотор может как от постоянного, так и от переменного тока.

Простота регулировки скорости коллекторного двигателя определяется тем, что скорость вращения прямо зависит от величины поданного напряжения.

Кроме этого, важной особенностью является то, что ось вращения непосредственно можно присоединять к вращающемуся инструменты без использования промежуточных механизмов. Если говорить об их классификации, то можно говорить о:

Если говорить об их классификации, то можно говорить о:

1. Коллекторных двигателях постоянного тока.
2. Коллекторных двигателях переменного тока.

В этом случае, речь идёт о том, каким именно током происходит питание электродвигателей.

Разница состоит в том, как организованы эти подключения.

Тут принято различать:

• Параллельное возбуждение.
• Последовательное возбуждение.
• Параллельно-последовательное возбуждение.

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

• Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
• Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
• Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
• Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
• В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
• Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
• Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
• Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;

• Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
• Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
• Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.

Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.

Энергия

Как получить энергию двигателя Стирлинга? Для этого нужно использовать топливо. В зависимости от типа ресурса, механизм будет создавать определенное количество энергии. К примеру, из ведра лавы можно получить больше всего энергии — 200 000 RF с единицы. При этом придется подождать около 17 минут.

Если использовать коксовый уголь, то за 5 минут игрок получит 64 000 RF. Огненный стержень за 2 минуты выработает 24 000 RF, а уголь, торф или древесный уголь за полторы минуты помогут создать 16 000 RF.

Для получения энергии можно использовать древесину, доски, ступени, люк, забор, блок грибы и многое другое.

Принцип работы двигателя Стирлинга:

Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела, например, газа, в закрытом цилиндре.

Известно, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга.

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическое воплощение этого цикла малоперспективно. Цикл Стирлинга позволил получить работающий на практике двигатель в приемлемых размерах.

Рис. 2. Диаграмма «давление-объём» идеализированного цикла Стирлинга

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами:

– нагрев,

– расширение,

– переход к источнику холода,

– охлаждение,

– сжатие

– и переход к источнику тепла.

Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу.

Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится вытеснителем. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое вытеснителем, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

Рабочий цикл двигателя Стирлинга beta-типа (наиболее распространенного) выглядит следующим образом:

Рис. 2. Рабочий цикл двигателя Стирлинга

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — охлаждающие ребра (область охлаждения).

1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра

Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам)

2. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.

3. Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.

4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0° машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность : двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.

Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга бесшумен , так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.

В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.

Альтернативные источники тепла для генератора Стирлинга

Скрупулёзное изучение разных подходов в генерации электричества с использованием альтернативных источников энергии вскрыли любопытную особенность. Оказывается, что при комбинации высокотемпературных солнечных концентраторов с двигателем Стирлинга, КПД системы повышается до 34%!

Начиная с 2005 года, сначала в США, затем в Испании и даже в Великобритании, начали устанавливать альтернативные генераторы электричества, для которых не требовались такие высокотехнологичные материалы как фотоэлементы. Схематично такую конструкцию можно представить как параболическое зеркало, в фокусе которой помещали генератор на двигателе Стирлинга.

Эффект был потрясающий! Такое сочетание простейших устройств практически не имело недостатков:

• Бесшумность работы;
• Отсутствие любых выбросов в атмосферу;
• Двигатели не требуют обслуживания;

Для работы в ночное время, разработчики придумали хитрую систему накопления избыточной тепловой энергии в локальных подземных теплоаккумуляторах.

Нагретый теплоноситель закачивается в небольшие подземные хранилища с высокой степенью теплоизоляции в течении светового дня. Ночью по системе изолированных трубопроводов этот теплоноситель подаётся на рабочий цилиндр генератора Стирлинга, и генерация не останавливается. Производительность снижается почти на 50%, но выработка электроэнергии идёт безостановочно круглые сутки!

Преимущество перед солнечными панелями проявлялось и в стабильности работы при переменной облачности. Ведь если Солнце закрывается облаками, то фотоэлементы резко снижаются производительность, а альтернативный генератор Стирлинга продолжает работать.

Одна такая солнечная тарелка Стирлинга на пике вырабатывает 34 кВт электроэнергии. Компания United Sun Systems с 2015 года выпустила более 20 тысяч таких устройств. Успешно функционируют серьёзные электростанции, например Imperial или Calico, которые генерируют более 800 МВт электроэнергии с самой низкой себестоимостью.

Некоторые из выпускаемых конструкцию, например SunCatcher, хорошо масштабируются, и небольшие солнечные тарелки Стирлинга мощностью 3-5 кВт устанавливаются на крышах зданий с 2010 года.

Конфигурация двигателя. Пробы и ошибки

После долгих раздумий (и нескольких лет разочарования) я понял, что в этой конфигурации допущены ошибки. В первую очередь — в любом двигателе Стирлинга нагреватель, регенератор, и холодильник должны быть «моноблочные», то есть их размещают в непосредственной близости друг от друга. Это означает, что эти три термодинамические компоненты должны все находиться в стороне от вытеснителя двигателя, вместо того, чтобы «разбросать» их по всей цепи газового тракта, как я сделал на МК I. Такой грамотный дизайн очень важен для хорошей производительности и такая плотная моноблочная компоновка чётко прослеживается на всех двигателях Philips. Тот факт, что я расположил регенератор в тесном контакте с блоком двигателя способствовали утечке тепла вдоль всей длины двигателя — это явно плохое решение в конструкции Стирлинга.

Несмотря на не оптимальную работу, я много узнал о расходе масла и о том как очищать перемещающуюся смазку в рабочем пространстве. Разобрался с техническими особенностями особой скруглённой формы вытеснителя, его прерывистых движений, уплотнительными кольцами и канавками для них и разделённой формы вытеснителя. Открытие безуглеродного состава синтетических масел с высокой температурной точкой вспышки также было очень полезно. Собственная конструкция отражателя пламени горелки на пропане также вызывал сомнение, но после нахождения некоторых старых публикаций на эту тему, успешная расчетная схема горелки наконец-то появилась и была успешно апробирована на трёх построенных экземплярах.

Конструкция самодельного кольца газовой пропановой горелки

Серийные генераторы и микроТЭЦ на двигателе Стирлинга

Однако все эти недостатки не помешали фирме «Филипс» (Philips Stirling Engine), создать для массового производства проект переносного электрогенератора Стирлинга модель MP1002CA ещё в начале 50-х годов.

https://youtube.com/watch?v=LWReC3TSuoA

Он был предназначен для работы от любого горючего, вплоть до пальмового масла, и генерировал 0,2 кВт электроэнергии. Обиходное название – «Генератор для бунгало». Но к моменту производства, выяснилось, что он не может конкурировать по стоимости с аналогами на двигателе внутреннего сгорания. Поэтому их выпустили не более пятнадцати дюжин. И те разошлись по учебным заведениям, для наглядной демонстрации.

В наше время небольшие фирмы разрабатывают аналогичные устройства. Например в г. Магнитогорске, фирма «ЭНЕРГОТОНИКА» выпускает многотопливный мини теплоэлектрогенератор с двигателем Стирлинга ГДС-150.

Его масса всего 37 кг, он может работать на любом топливе, хоть на дровах, хоть на газе.

В режиме 7/24 работает несколько месяцев. Но в таком режиме он вырабатывает 0,2 кВт электричества + тепло для отопления. На короткий промежуток устройство выдаёт до 1кВт.

К коттеджу такой источник альтернативной энергии не подключишь, а вот в лесной заимке, охотничьей сторожке, на рыбацком стане или в избушке лесника, или для кемпинга ГДС-150 будет вписываться идеально.

Для частного жилого дома «ЭНЕРГОТОНИКА» под заказ выпускает микроТЭЦ «АМТЭС-5/25ДО». Работает она на дровах (опилки, щепки, стружка), выдаёт в час 5 кВт электроэнергии и 25 кВт тепла, стоит 850 т.р.

Корейская фирма выпускает аналогичное устройство Navien Hybrigen SE.

Немцы выпускают микроТЭЦ VITOTWIN 300-W Mikro-KW. Используя только газ, установка выдаёт 1 кВт электрической энергии и 6 кВт тепла. Стоит более 20,5 т. евро.

Обратите внимание, что все эти микроТЭЦ работают на двигателе Стирлинга. Только в западных странах они называются «m-CHP»

Сложности отечественного производителя

По техническим параметрам, российские микро ТеплоЭлектростанЦии на двигателе Стирлинга ни чем не уступают иностранным аналогам, а даже превосходят их по «всеядности». В ценовом сегменте они тоже выигрывают, но при внимательно изучении, оказывается, что стоимость может быть снижена в 3-5 раз!

Руководитель фирмы «ЭНЕРГОТОНИКА» Виктор Закомолдин дал довольно подробное объяснение. Оказывается в России абсолютно разрушены все производственные мощности, которые раньше выпускали простейшие комплектующие для дизельных двигателей и другие мелкие детали. Закупать их приходится в Китае. А доставка с растаможкой увеличивает стоимость в 7-10 раз! Политика Господдержки, объявленная правительством, оказалась фикцией.

При выходе на серийное производство из отечественных комплектующих, стоимость всей выпускаемой продукции будет снижена в 3,5-5 раз! Какая может быть тогда конкуренция, у немецкой m-CHP ценой 1,7 млн. руб, с отечественной микроТЭЦ за 300 т.р., если по техническим характеристикам Российский аналог уже вышел в отрыв.

С такой микроТЭЦ на двигателе Стирлинга, жильё станет на 100% энергонезависимым. Например, можно поставить коттедж в поле, и к нему не надо будет тянуть линию электропередач и газопровод! А одна проектная разработка этих коммуникаций будет стоить гораздо больше миллиона. Впоследствии, предстоит оплачивать постоянно растущие тарифы на газ и электроэнергию.
В составе магнитогорской микроТЭЦ, имеется бункер на 0,7 куб. м. Одной полной загрузки хватает на 2 суток беспрерывной работы. Тепло можно использовать не только для отопления жилья, но и для бани, хранить в теплоаккумуляторе.
И главное ничего не надо изобретать! Всё уже имеется, но крупные заказчики ориентированы на углеводородные энергоносители, и привязку потребителя к центральным энергосетям.

Может быть после окончания эпидемии коронавируса COVID-19, ситуация начнёт исправляться. Но пока до 70% деталей закупается в Китае, изменений ждать не приходится.

Конфигурация и конструкция двигателя Стирлинга:

Существует несколько конфигураций двигателя Стирлинга:

– альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах, один — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, с холодным — в более холодном.

Рис. 3. α-Стирлинг

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

У данного вида двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические трудности. Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной,

– бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, разделяющий горячую и холодную полости.

Рис. 4. β-Стирлинг

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем,

– гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и вытеснитель, но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется вытеснитель).

Рис. 5. γ-Стирлинг

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

История двигателя Стирлинга в 19 веке

В начале 19-го века двигатели в основном использовались для привода машин (например, насосов в шахтах, приводов центральных машин на заводах), а двигатели могли быть огромными. На повестке дня были указаны рабочие цилиндры диаметром более 0,5-1 м. Несмотря на это, паровые двигатели Уатта выиграли конкурс на двигатели Стирлинга. Правда, двигатели Стирлинга были проще в дизайне и обработке, но паровые двигатели, включая всю систему (котельную) и все их недостатки, однако, были более эффективными (читай: более дешевый в эксплуатации) и обеспечили большую мощность. Даже в мобильных системах, таких как корабли и поезда (в Англии и Шотландии в середине 19 века сеть железных дорог уже была разработана), паровые двигатели были намного лучше.

Конечно, двигатели Стирлинга использовались здесь и там, но они не доминировали на рынке. Более того, установленные двигатели Стирлинга часто заменялись паровыми двигателями, а те, которые остались, уже считались раритетами и нишевыми приложениями. В Европе, возможно, самыми известными двигателями Стирлинга с рубежа XIX и XX веков были те, которые использовались в… аквариумных насосах. Одним из наиболее известных производителей таких двигателей в этот период стала компания Louis Heinrici .

Но вернемся к теме. В конце 19-го века появились двигатели внутреннего сгорания, сначала с газом, а затем с жидким топливом. Кроме того, в автомобильных приводах появились также электродвигатели. Теоретически двигатели Стирлинга должны быть лучше всех (независимо от того, что это означает), поэтому все время мир науки и техники периодически интересовался ими. Поскольку строительство огромных двигателей Стирлинга в 19 веке утратило свой смысл, предпринимались попытки построить небольшие двигатели, но с высоким давлением рабочего тела, так что создаваемые двигательные системы были бы конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания. Пик работы на таких двигателях произошел в 1950-х и 1960-х годах. Конечно, возникла значительная группа проблем, которые были более или менее успешно решены.

Использование гелия

В то же время появилась идея заменить рабочий фактор. До сих пор под лозунгом «рабочий фактор» в двигателях Стирлинга мы понимали обычный атмосферный воздух. В какой-то момент инженеры и ученые задали вопрос, есть ли что-то лучше с точки зрения термодинамических свойств? Да. Более или менее с 1930-х годов этот газ был коммерчески продан в промышленных количествах. Это гелий. Использование гелия в качестве рабочего вещества значительно повышает эффективность двигателей Стирлинга. Однако использование нового фактора вызвало совершенно новые проблемы. Гелий плохо хранится даже при комнатной температуре. То есть. из-за очень малых частиц, он имеет тенденцию проникать в большинство материалов, используемых в технологии со сталью в головке. В 60-х и 70-х годах были изучены гелиевые двигатели. Их характерная особенность, видимая на фотографиях,… прикреплена к двигателю гелиевого цилиндра, используемого для пополнения газа, выходящего из двигателя практически через все его элементы. Проблема была серьезной. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично.

Вдохновленный MP1002C Philips

В середине 80-х, я имел удовольствие быть свидетелем испытаний генераторной установки  MP1002C Philips которая на самом деле реально работала. Опыт произвёл на меня глубокое впечатление, особенно в том, как спокойно Стирлинг завёлся и ожил. Максимум шума исходил от горелки (камеры сгорания), но в конечном итоге от двигателя Philips исходил очень приятный звуковой фон — всё, что нужно было заменить — были шумящие подшипники.

Как говорится в старой поговорке, «Он работал и работал, как швейная машинка Зингер»! В то время, мой опыт общения с двигателями Стирлинга состоял из проектирования нескольких моделек настольного размера, но, увидев и услышав работающий двигатель Philips, я захотел спроектировать, сделать дизайн и собрать двигатель такого же калибра … сделать нечто достаточно большое, что производило бы полезную ощутимую работу.