Современные области применения двигателей Стирлинга
В наши дни ДС переживают второе рождение во много благодаря их уникальным экологическим характеристикам
Напомним, концентрация вредных веществ в продуктах сгорания ДС на несколько порядков ниже, чем у поршневых и газотурбинных двигателей и, что не менее важно, минимальные шумы у них не превышают 60-65 дБ. Они незаменимы там, где необходимо преобразовывать тепловую энергию в механическую
Одно из перспективных направлений современной энергетики – децентрализация энергоснабжения, которое реализуется путем строительства когенерационных установок, производящих из первичного источника топлива два или несколько видов полезной энергии.
Когенерационная установка
Использование ДС в когенерационных установках позволяет одновременно обеспечивать электроэнергией и теплом небольшие районы. КПД некоторых современных стирлинг-генераторов доходит до 95 %.
Тепловые насосы на базе ДС работают подобно кондиционерам. Правда, они используются не для охлаждения помещений или воды, а для нагрева.
Тепловой насос на базе ТС
ДС могут работать, как холодильные установки. Некоторые компании-производители холодильников уже готовы устанавливать на свои изделия ДС, что сделает их более экономичными, а рабочим телом станет обычный воздух.
Подводная лодка класса Никкен
Малошумность ДС еще в 60-е годы привлекла внимание разработчиков подводных лодок в ряде стран. В результате в 1988 году шведская субмарина класса «Никкен» была оснащена воздухонезависимыми ДС, с которыми она проплавала свыше 10000 часов
Примеру Швеции последовала Япония, где новейшие подводные лодки класса «Сорю» были оснащены четырьмя ДС VA-275R, каждая мощностью по 8000 л. с.
Солнечная электростанция с ДС
ДС найдет свое применение и в солнечной энергетике, где его устанавливают в фокус параболического зеркала, обеспечивающего постоянную «подсветку» зоны нагрева.
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.
Дитя эпохи пара
Начало XIX века – расцвет эпохи пара. Благодаря паровым машинам стали бурно развиваться промышленность и транспорт. Они оказались на редкость надежными, устойчивыми к колебаниям нагрузки, долговечными, не требующими больших затрат при эксплуатации, простыми в обслуживании и практически «всеядными» в отношении к топливу.
Роберт Стирлинг и его двигатель
Были очевидны и недостатки – низкий КПД (не более 10%) и наличие громоздкого кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Нередко паровые котлы взрывались, не выдерживая чрезмерного давления пара, что приводило к разрушениям и человеческим жертвам.
Паровоз на базе двигателя Стирлинга
Все изменилось 27 сентября 1816 года, когда шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал уникальное изобретение под названием «двигатель горячего воздуха», безопасную альтернативу своему паровому предшественнику. Позже его назвали в честь создателя – двигатель Стирлинга (ДС).
Зачем нам «альтернатива»?
Тенденция к декарбонизации захватывает мир: о планах по сокращению выбросов СО2 заявили США, страны Европы и Азии
Важной вехой стало принятие Парижского соглашения в 2015 году — оно породило движение за углеродную нейтральность. . Отказ от «неэкологичного» транспорта обеспечивается внедрением «зеленых» технологий в производство
Появляются электрические двигатели, водородные, двигатели на биотопливе. В зависимости от типа транспортного средства выбирается своя технология. Например, в перспективе до 2030 года для крупнотоннажных тягачей наиболее оптимальным будет использование водородного двигателя, а для легковых автомобилей в крупных городах — электрического.
Отказ от «неэкологичного» транспорта обеспечивается внедрением «зеленых» технологий в производство. Появляются электрические двигатели, водородные, двигатели на биотопливе. В зависимости от типа транспортного средства выбирается своя технология. Например, в перспективе до 2030 года для крупнотоннажных тягачей наиболее оптимальным будет использование водородного двигателя, а для легковых автомобилей в крупных городах — электрического.
15 марта состоится встреча инвесторов и проектов по AltEnergy.Инвесторы из АФК «Система», АХ «СТЕПЬ», «Центр водородных технологий», МТС, Электрозавод (ERSO), группа «Черкизово» и другие ищут стартапы и технологии по альтернативной энергетике.Встреча подготовлена RB.RU совместно с АХ «СТЕПЬ» при поддержке АФК «Система».
Несмотря на богатые запасы углеводородного сырья, Россия также взяла курс на переход к экологичному транспорту. В прошлом году был подготовлен проект «Стратегии долгосрочного развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года». Базовый сценарий стратегии предполагает, что к 2050 году будут уменьшены выбросы парниковых газов до объема 60% от уровня 2019 года и на 80% от уровня 1990 года. К 2060 году планируется достичь углеродной нейтральности.
Отдельное место в программе отводится снижению уровня выбросов, производимых автомобильных транспортом. В 2021 году была принята «Транспортная стратегия до 2030 года», где акцент делается на сокращение выбросов СО2. В соответствии с ней будут поэтапно вводить ограничения на транспортные средства «низких экологических классов». Например, планируется создать специальные зоны, куда въезд автомобилей с неэкологичными двигателями будет запрещен. К слову, соответствующий дорожный знак был официально принят в ПДД в 2017 году, но до сих пор не применялся.
Запуск и эксплуатация альтернативного двигателя
После создания альтернативного двигателя важно правильно запустить его и осуществлять его эксплуатацию. Ниже приведены основные шаги для успешного запуска и дальнейшей работы двигателя:. 1
Проверка и подготовка
1. Проверка и подготовка
Перед запуском альтернативного двигателя необходимо проверить его основные компоненты и подготовить их к работе. Это включает в себя:
— Проверку состояния всех механических деталей, замена поврежденных или изношенных элементов;
— Тщательную очистку и смазку всех подвижных частей;
— Проверку и настройку системы запуска и зажигания;
— Проверку и заправку всех необходимых жидкостей, таких как топливо и смазочные материалы;
— Подготовку рабочего пространства, обеспечивая достаточную вентиляцию и безопасность при работе.
2. Запуск двигателя
При запуске альтернативного двигателя необходимо следовать инструкциям производителя и следить за процессом. Обычно последовательность запуска включает в себя:
— Подачу топлива и обеспечение его подачи в камеры сгорания;
— Возбуждение и зажигание смеси топлива;
— Настройку и контроль параметров работы двигателя, таких как обороты, температура и давление.
3. Эксплуатация двигателя
Во время работы альтернативного двигателя необходимо постоянно контролировать его состояние и производить регулярное техническое обслуживание. Это включает в себя:
— Регулярное измерение и контроль основных параметров работы двигателя, таких как давление, температура, расход топлива;
— Очистку и смазку всех подвижных частей в соответствии с рекомендациями производителя;
— Замену изношенных или поврежденных деталей;
— Проверку и обновление программного обеспечения, если применимо;
— Проверку и обновление систем защиты и безопасности;
— Правильное завершение работы и выключение двигателя после окончания работы.
Следуя этим рекомендациям, вы сможете успешно запустить и эксплуатировать альтернативный двигатель своими руками с минимальными рисками и максимальной эффективностью.
Альтернативный генератор Стирлинга в свой дом
Этот сегмент альтернативной энергетики практически не освоен на постсоветском пространстве. Сказывается политика правительства, которая препятствует развитию на практике альтернативной энергетики. Упор делается на нефтегазовый сектор, как в колониальных странах.
Для личных нужд, умельцы такую перспективную комбинацию начнут рассматривать в ближайшее время. Сразу, как только окончится переформатирование страны, скрытой под маской коронавирусной эпидемии COVID-19.
Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы:
Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте , Если статья Вам понравилась!
Следите за нами в твиттере:
Делитесь с друзьями, оставляйте ваши КОМЕНТАРИИ (Ваши Комментарии очень помогают развитию проекта)
Добавляйтесь в нашу группу в ВК:
ALTER220 Портал о альтернативную энергию
и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее!!!
Как работает двигатель Стирлинга
Первое, что бросается в глаза – простота конструкции. В состав двигателя Стирлинга (β-типа) входят два поршня – вытеснительный и рабочий, маховик, рубашка (ребра) охлаждения и теплообменный цилиндр. Чтобы ДС работал, необходим источник тепла.
Рабочий цикл протекает в четыре этапа
Первый этап. Происходит нагрев воздуха (или другого газа) в основании цилиндра. Разогретый внутри его воздух создает давление, которое заставляет рабочий поршень двигаться вверх. Вытеснительный поршень имеет одну важную особенность – неплотное прилегание к стенкам цилиндра.
Двигатель Стирлинга типа Бета
Второй этап. Приведенный в действие маховик (благодаря ему работа обоих поршней строго синхронизирована) с помощью толкающей штанги «отправляет» вытеснительный поршень вниз, который в свою очередь выдавливает разогретый воздух вверх в охлаждающую камеру.
Третий этап. В камере воздух остывает и сжимается, давая возможность рабочему поршню опуститься вниз.
Четвертый этап. Вытеснительный поршень движется вверх, одновременно вытесняя охлажденный воздух в основание цилиндра, после чего цикл возобновляется.
История автомобилей на дровах
Использование газогенераторной установки в автомобиле — далеко не новое изобретение. Популярность это решение обрело в СССР в 30-е и 40-е годы на лесоповале. С бензином возникали трудности, зато дров было неограниченное количество. Чтобы компенсировать потерю мощности на грузовиках, зачастую вносили в их конструкцию достаточно серьезные изменения — повышали степень сжатия в двигателе, чтобы улучшить наполнение цилиндров, использовали турбонаддувы. Также устанавливали более мощные генераторы, так как устанавливали мощные вентиляторы для нагнетания воздуха. К слову, первые электромобили тоже возникли на заре автомобилестроения.
До ВОВ машины переделывали на предприятиях Министерства лесной промышленности. Иногда партии автомобилей с газогенераторным оборудованием выпускались на самих заводах-изготовителях. Как правило, такие установки ставили на “полуторки” ГАЗ-АА и трехтонные грузовики ЗИС-5. Иногда на дрова переводили автобусы, выполненные на базе этих же грузовиков. Как утверждают некоторые специалисты, в СССР было выпущено более 33 тыс. “полуторок” ГАЗ-42 на дровах и более 16 тыс. грузовиков марки “ЗиС”. В российской глубинке грузовики на дровах встречались вплоть до 70-х годов прошлого века.
Немецкий военный автомобиль на дровах Volkswagen Тур 82
Надо сказать, что газогенераторные установки использовали не только в СССР. Во время Второй Мировой войны Германия испытывала дефицит топлива. В результате по заданию от правительства были разработаны и выпущены в серийное производство сразу два автомобиля на дровах — Volkswagen Beetle и Mercedes-Benz 230. Особенность серийных автомобилей заключалась в том, что установка не выпирала за пределы кузова, то есть визуально они не отличались от обычных бензиновых машин. Компания Volkswagen даже разработала опытный образец военного автомобиля Volkswagen Тур 82.
Альтернативные двигатели
Зная об ограниченности запасов нефти и вреде выхлопных газов для окружающей среды, многие инженеры пытаются своими руками построить необычный двигатель, который изменит мир к лучшему. Или сможет использоваться после энергетического апокалипсиса.
В Бразилии, к примеру, нашли другой путь. Там растет дизельное дерево, чей сок можно без дополнительной обработки заливать в бак. Но из-за медленной скорости его выработки биодизель не обрел популярности.
Naturmobil
Если задуматься, то раз мощность двигателя измеряется в лошадиных силах, то надо заставить лошадь его и передвигать. Примерно так считал разработчик Naturmobil. Он установил в кузове беговую дорожку и запустил коня. Единственное животное оказалось способно разогнать транспорт до 80 км/ч, если его уговорить бежать и вовремя успокаивать.
Volkswagen Golf на масле
В попытках сэкономить немцы также решили отказаться от дизельного топлива и бензина. За неимением лучших вариантов они залили в свой старенький Volkswagen Golf обычное подсолнечное масло. Конечно, без подогрева двигатель на необычном топливе не заведется уже при +10 оС. Да и динамические характеристики авто упали. Зато даже без модификаций оказалось, что дизель может работать и от дешевого масла, а эксперимент успешно повторяется по всему миру.
Volkswagen Scirocco на кофе
Мартин Бэкон искренне верит, что раз кружечка горячего кофе способна ежедневно заставлять его встать с постели и начать двигаться, то и автомобиль она тоже сдвинет с места. Чтобы воплотить такую идею, пришлось вначале переработать бензиновый двигатель Ford F-150. когда он начал потреблять водород, пришло время эксперимента.
Пересев на аналогично модифицированный Volkswagen Scirocco, британец подсоединил чан с кипящим кофе к двигателю и смог проехать почти 350 км без дозаправок.
Бумажный V-8
Титул самого экологически чистого двигателя можно смело присуждать необычной модели Алексея Жолнера. Умелец из Беларуси смог полностью воссоздать и заснять на видео работу 8-цилиндрового моторчика, выполненного из бумаги. Детали закреплены клеем. Роль топлива может выполнять ручной привод или сжатый воздух. Вместо масла скольжение поршней обеспечивает слой скотча.
К сожалению, рабочая модель слишком мала и вряд ли сможет быть эффективно использована. Но можно смело утверждать, что это один из уникальных двигателей в мире.
Плюсы и минусы
Первые промышленные ДС использовались в качестве водяных насосов и машин, обеспечивающих литейное производство. К началу ХХ века на предприятиях Европы работало уже более 250 тыс. вентиляторов, приводимых в действие ДС. Их КПД достигал 18%, что почти на 10 % выше КПД паровых двигателей.
И это далеко не единственное достоинство двигателей Стирлинга. Как и все двигатели наружного сгорания, они «всеядны». В их топливном «меню» буквально «все, что горит» – от угля, дров, мазута, газа до солнечной, геотермальной энергии и ядерного топлива.
Конструкция ДС чрезвычайно проста. Ей не требуются дополнительных систем и не нужен стартер, поскольку двигатель запускается самостоятельно. Как следствие этого – значительный рабочий ресурс, измеряемый иногда сотнями тысяч часов непрерывной работы.
Двигатели Стирлинга очень экономичны и малошумны, что в последствии было использовано при создании двигателей для подводных лодок.
Из недостатков, пожалуй, главный – материалоемкость. К тому же, чтобы двигатели Стирлинга могли на равных конкурировать с ДВС, им приходиться «добавить» высокое (более 100 атмосфер – прим. ред. Techcult.ru) давление, а также водород или гелий в качестве рабочего тела.
КПД ДС значительно снижается из-за того, что тепло рабочее тело «получает» через стенки теплообменника. Поскольку самому теплообменнику приходится работать в экстремальных условиях высокого давления и температуры, для его изготовления используются весьма дорогие жаропрочные материалы.
Определенные сложности возникают при регулировке оборотов. В частности, чтобы регулировать частоту вращения коленчатого вала, потребуется изменять показатели температуры.
Альтернативный драйвер двойного расширения
Схема паровой машины двойного расширения с разным диаметром цилиндров .
С увеличением мощности, развиваемой альтернативными паровыми машинами, и с увеличением давления пара строились машины с несколькими цилиндрами, переходящие к машинам двойного расширения, с малым цилиндром при высоком давлении и большим, чтобы низкого давления, подключенного так, что пар, уже отработавший в цилиндре высокого давления, переходил для привода поршня низкого давления. Общая конфигурация машины была аналогична простой расширительной машине с существенным отличием в виде асимметрии блока цилиндров, так как ЦНД был больше и тяжелее. Чтобы машина была сбалансирована, два цилиндра высокого и низкого давления должны были выполнять одинаковую работу, требующую точного расчета объема большого цилиндра, который должен был быть на 2 ¼ — 2 ⅛ больше, чем объем малого цилиндра. .
Двигатели двойного расширения применялись в железнодорожной тяге, где, однако, предельная форма размеров железнодорожного локомотива не позволяла конструировать очень большие цилиндры низкого давления, так как это потребовало бы также поршней, штоков, шатунов чрезмерных размеров: от этого было принято решение строить для мощных локомотивов трех- или четырехцилиндровые двигатели. Предпочтительным вариантом была конфигурация с четырьмя цилиндрами, расположенными в большинстве случаев попарно, один малый и один большой с каждой стороны, соединенные в тандеме с общим штоком или один на другом с двумя штоками, которые управляли одной и той же крейцкопфом ; обе конфигурации позволяли использовать только две ведущие тяги, как в классических локомотивах. Другая компоновка была с двумя внутренними и двумя внешними цилиндрами для вагона локомотива, который управлял той же осью, оснащенной двумя внутренними коленями и двумя внешними кривошипами для приема движения четырех шатунов. Основное преимущество двойного расширения заключалось в лучшем общем тепловом КПД за счет большего использования теплового скачка пара, выходящего в выхлоп, что обеспечивало дополнительную работу в ЦНД.
В военно-морской силовой установке это решение было принято Regia Marina для линкоров Classe Italia и Classe Ruggiero di Lauria .
Самые большие двигатели
Автомобили — не единственные технические средства в мире, которые нуждаются в посоянном обновлении. Необычные двигатели постоянно разрабатываются для многих сфер деятельности. Но начать лучше, все-таки, с привычных 4-колесных автомобилей.
Fiat Blitzen Benz
Гоночный болид 1911 года оснащался двигателем объемом 28,2 литра, чтобы обеспечить мощность в 300 лошадиных сил. Было собрано всего 2 таких автомобиля. Один был выкуплен русским князем Сухановым, но после Революции попал в Австралию, где благополучно разбился без возможности восстановления. Другой концерн Фиат оставил себе, в 1920 году заменив двигатель на более совершенную конструкцию.
Convair B-36
Для этого бомбардировщика был разработан самый мощный поршневой авиационный 36-цилиндровый двигатель в мире. При небольших размерах (3 м в высоту и 1,5 м в поперечнике) и весе в 2,7 т. он способен выдавать мощность в 5000 лошадиных сил. Но особо популярным мотор не стал и остался штучной уникальной моделью.
Union Pacific Railroad
В годы Второй мировой войны был создан самый большой и мощный паровой двигатель Big Boy с силой тяги в 15290 нм. Но прослужил он недолго. В 1959 году паровозы окончательно оказались вытесненными дизельным железнодорожным транспортом.
Чтобы не терять первое место, в 1955 году та же компания Union Pacific создала локомотив мощностью 8500 лошадиных сил. Он весил 410 т. и был снабжен баком на 9500 л. До сих пор этот рекорд еще не был побит.
Wärtsilä-Sulzer RTA96
Крупнейший в мире серийный двигатель производится для морских судов. Его длина составляет почти 27 м, а высота — 13,5 м. Машина весит 2,3 млн килограмм. Затратив 13 тыс. литров мазута в час можно получить невероятную мощность 107 тыс. лошадиных сил.
1750 MWe ARABELLE
Это крупнейший генератор в мире. Каждая его турбина весит 120 тонн. Благодаря пару двигатель способен выдавать мощность почти в 2,35 млн лошадиных сил. Но для установки такой необычной конструкции понадобилась целая атомная станция во Франции.
SaturnV
Общепризнанный король двигателей. Только с его помощью оказалось возможным отправиться на Луну. Хоть высота самого агрегата чуть меньше 6 м, в ракетоносителе она составила 110, 65 м (примерно с 40-этажный дом). Чтобы поднять 130 т. космического корабля на орбиту потребовалась мощность в 190 млн лошадиных сил. Для сравнения затраченной энергии оказалось бы достаточно почти для 1000 кругосветных путешествий на обычном автомобиле.
