Двигатель стирлинга для отопления дома
Santeh-nik.ru

Инженерные системы

Двигатель стирлинга для отопления дома

Выбираем газовый котел с электрогенератором Viessmann Vitotwin

Большинство современных газовых котлов является энергозависимыми – их работа напрямую связана с использованием электроэнергии. Скачки напряжения в сети, нестабильность нагрузки приводят к выходу из строя дорогостоящей автоматики. Даже использование ИБП не может полностью обезопасить блок управления от сбоя.

Газовый котел с электрогенератором Viessmann Vitotwin – инновационное решение данной проблемы. Модель представляет собой мини котельную, производящую одновременно тепловую энергию и электричество, достаточное для обеспечения нормальной работы автоматики, регулирующей и запорной арматуры.

Устройство и принцип работы микро-ТЭЦ Vitotwin

Главным отличием микро-ТЭЦ на двигателе Стирлинга, представленной компанией Viessmann, является наличие двух современных и инновационных решений, увеличивающих производительность, обеспечивающих полную автономность и экономичность.

В каждой модели данной серии используется:

Благодаря двум изменениям в конструкции, обеспечиваются следующие преимущества:

    Возможность модернизации уже существующей или изготовление новой системы отопления частного дома, большой площади.

Полная независимость от электроснабжения.

Малошумный режим работы.

  • Одновременное производство тепловой энергии и электричества.
  • Хотя производительность и параметры моделей серии могут меняться, неизменным остается принцип работы, используемый в котлах. Понимание того, как работают основные модули, поможет с максимальной эффективностью использовать оборудование.

    Двигатель Стирлинга

    Свое название, двигатель Стерлинга получил от фамилии человека, разработавшего первую простейшую модель оборудования. С тех пор, устройство используется в разных видах бытовой техники, системах отопления, компьютерах и т.д.

    Принцип работы двигателя Стирлинга заключается в следующем:

      Закрытый блок с жестким корпусом имеет встроенную эластичную мембрану.

    Мембрана соединена с рабочим поршнем.

    При нагревании, стенки мембраны выгибаются наружу и приводят в движение кривошипно-шатунный механизм.

  • При остывании двигателя, мембрана приходит в первоначальное положение, а после выгибается внутрь.
  • Производитель отопительного оборудования Висман усовершенствовал рабочий процесс, заставив кривошипно-шатунный механизм преобразовывать кинетическую энергию в электричество. В результате, при горении газа, в зависимости от модели котла, продуцируется от 0,6 до 1 кВт электроэнергии. Этого более чем достаточно для обеспечения независимой работы автоматики и всех энергозависимых модулей.

    Конденсационный модуль

    Для увеличения производительности котла с встроенным двигателем Стерлинга, используется принцип конденсационного нагрева теплоносителя. Модуль, установленный в корпусе, использует температуру отходящих дымовых газов, для получения дополнительной тепловой энергии.

    Настенный газовый отопительный котел использует следующий принцип работы:

      В процессе сгорания газа выделяются дымовые газы, содержащие определенное количество нагретых частиц пара.

    Вместо моментального выведения продуктов сгорания в дымоход (как происходит в котлах традиционного типа), они направляются в конденсационный модуль.

  • Там тепло аккумулируется теплообменником, что приводит к усиленному продуцированию конденсата.
  • В результате применения конденсационного блока, теплоотдача от горения газа увеличивается на 15-20%, что делает низкотемпературные котлы одним из самых экономичных и производительных типов оборудования.

    Область применения и возможности котлов Vitotwin

    Котлы Vitotwin представляют собой автономную микро-ТЭЦ, предназначенную для обогрева помещений от 40 до 260 м². Оборудование оптимально подходит для обогрева 1-2 комнатных квартир, но может, с одинаковой эффективностью, применяться и для частных домов.

    Технические характеристики оборудования существенно расширяют его возможности:

      Модели Висман подходят для модернизации уже существующей и производства новой системы отопления дома.

    Одновременно вырабатывается тепловая энергия и электричество. Мощность вырабатываемого напряжения от 0,6 до 1 кВт.

    Конденсационный котел, с двигателем Стирлинга, с небольшой мощностью, может использоваться исключительно для пиковых нагрузок, покрывая недостаток тепла в течение определенного промежутка времени.

    Оборудование подключают как резервный источник питания к твердотопливному агрегату.

    В корпусе котла расположен только один отопительный контур. Для обеспечения нужд ГВС, предусмотрено подключение к внешнему бойлеру накопителю.

  • Допускается установка аккумулятора электроэнергии, остающейся после покрытия потребностей в электричестве автоматики и циркуляционного оборудования. Накопленную энергию можно использовать в бытовых нуждах.
  • Модельный ряд котлов Висман с двигателем Стирлинга

    Компания Висман выпускает две базовых модели котлов, с встроенным двигателем Стирлинга. Модели отличаются по конструкционным особенностям и наличием дополнительных функций.

    Независимо от выбранной серии, все котлы отличаются энергонезависимостью, высокой теплоэффективностью и КПД, не менее 96%. Во время работы, горелка и двигатель практически не издают шума, что позволяет установить газовое оборудование в ванной комнате или кухне.

    Котел Viessmann Vitotwin 300W

    Мини ТЭЦ Viessmann Vitotwin 300W с двигателем Стирлинга, имеет компактные размеры и одновременно большую производительность, позволяющую покрыть базовые затраты электроэнергии. Внешний аккумуляторный накопитель обеспечивает необходимым количеством горячей воды.

    Двигатель подключается к таймеру, блоку дистанционного управления, управляется посредством пульта ДУ или смартфона. Модель Vitotwin 300W отличают следующие преимущества:

      Параллельно вырабатывает электричество и тепловую энергию.

    Обеспечивает потребности ГВС.

  • Простое подключение к системе отопления и существующей электросети.
  • Котел Viessmann Vitotwin 350F

    Напольный газовый котел с встроенной буферной емкостью Vitotwin 350F имеет более сложную конструкцию, чем предыдущая модель. В базовой комплектации в корпусе установлены:

      Встроенный расширительный бак.

    Буферная емкость ГВС на 175 л.

    Кольцевая горелка закрытого типа.

    Воздухораспределительный и нагнетательный клапан.

    Котел пиковой нагрузки и двигатель Стирлинга.

  • Инновационный теплообменник Inox – Radial.
  • Максимальная производительность модели Vitotwin 350F – 26 кВт. Котел одновременно работает на нагрев теплоносителя системы отопления и выработку электроэнергии.

    Преимущества и недостатки эксплуатации котлов Vitotwin

    Главными достоинствами мини когенерационной установки Viessmann Vitotwin являются три основных преимущества:

    Улучшается качество напряжения на выходе.

  • Минимизируются выбросы СО.
  • Бытовые модели в первую очередь предназначены для получения тепловой энергии, поэтому количество продуцируемой электроэнергии не превышает 1 кВт, что можно причислить к недостаткам. Простые расчеты и вычисления показывают, что при обогреве помещения в 250 м², экономия составляет около 80 000 руб. в год.

    В качестве недостатков можно выделить следующее:

      Большой объем конденсата, продуцируемого во время работы.

  • Недостаток специализированных сервисных центров.
  • Чтобы исправить любую поломку, потребуется ждать от 1 до 3 месяцев, пока вышедший из строя модуль заменят. Неисправности случаются редко, а количество сервисных центров постепенно увеличивается. Поэтому, второй недостаток, постепенно теряет свою актуальность.

    Котлы Vitotwin с встроенным двигателем Стирлинга, это хорошая модель для бытовых нужд, позволяющая снизить расходы на газ и электроэнергию.

    Современный двигатель Стирлинга

    Генерация электроэнергии почти всегда связана с появлением побочного продукта – тепла. Даже фотоэлементы нагреваются, что снижает их КПД. Однако есть целый кластер устройств, в которых тепло не рассеивается, а может быть использовано для бытовых нужд. Сердце таких генераторов – двигатель Стирлинга.

    Двигатель внешнего сгорания

    Базовое отличие двигателя Стирлинга в том, что топливо сгорает не внутри цилиндра, а снаружи. Следовательно, внутреннее пространство остаётся герметичным и идеально чистым, без нагара и необходимости его обслуживания. Работает он практически бесшумно, так как нет детонации обогащённой топливной смеси.

    Остальные достоинства можно обозначить так:

    • Абсолютная экологическая безопасность.
    • Простейшая конструкция обеспечивает высокую надёжность.
    • Чрезвычайно высокий моторесурс.
    • Всеядность по отношению к источнику тепла.
    • Очень высокий КПД.

    Обеспечить более полное сгорание топлива гораздо легче снаружи цилиндра, чем внутри. Нагрев можно проводить не только углеводородными энергоносителями, но энергией Солнца, используя высокотемпературные солнечные концентраторы. В такой комбинации, КПД альтернативного генератора электроэнергии превышает 30%!

    Для сравнения – лучшие серийные фотоэлементы демонстрируют КПД только 24%. Именно бесшумность была решающим фактором для установки двигателя Стирлинга на подводные лодки последних серий в Японии и Швеции.

    В середине 80-х годов 20-го века, в США собрали и установили двигатель Стирлинга в автомобиль Chevrolet Celebrity!(Chevrolet Celebrity MOD 2 Stirling)

    На фото автомобиль AMC Spirit Stirling experimental engines

    Результаты были поразительны: глушитель, смазка и катализаторы были уже не нужны, экономия топлива достигала 45%, а ускорение практически не изменилось.

    На фото автомобиль NASA’s Stirling-engined Dodge D-150

    Двигатели Стирлинга используются НАСА(NASA) даже в космических аппаратах.

    Но у них есть и недостатки.

    Для получения максимально достижимого на практике КПД, необходимо обеспечить очень высокую разницу температур в холодной и горячих частях цилиндра. В противном случае, снижается «удельная мощность».

    На фото автомобиль P-40 OPEL STIRLING ENGINE

    Идеальным рабочим телом (газом) является водород, но его молекулы настолько малы, что им удаётся «напитывать» материал цилиндра. Следующий по эффективности газ – гелий, но он дорогой. А КПД снижается на 5%. Но можно использовать и азот, и аммиак, и даже осушенный воздух. Но мощность будет ниже идеальной.

    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.

    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.

    Читать еще:  Кондиционный котел отопления

    Корейская фирма выпускает аналогичное устройство Navien Hybrigen SE.

    Работает он на газе, и производит только 1 кВт электричества, а по цене гораздо дороже – 1,07 млн. р.

    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.

    Ведь работая в режиме максимальной производительности, магнитогорский микрогенератор АМТЭС-5/25ДО
    потребляет всего 10 кг опилок и древесной щепы в час! выдавая 5 кВт элетроэнергии и 25 кВт тепла. Фактически – золотая жила

    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.

    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.

    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 подписываться на наш канал, Если статья Вам понравилась!

    Следите за нами в твиттере: https://twitter.com/Alter2201

    Делитесь с друзьями, оставляйте ваши комментарии

    Добавляйтесь в нашу группу в ВК:

    и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее.

    Бег по кругу, или Опять все тот же Стирлинг?

    Продолжаются попытки коммерческого использования в Европе двигателя Стирлинга в бытовых системах для выработки электроэнергии.

    Ученые из Университета Эрлангена – Нюрнберга им. Фридриха-Александра (FAU) в Баварии за последние несколько лет разработали комбинированную установку микро-ТЭС, состоящую из топки с кипящим слоем и двигателя Стирлинга номинальной электрической мощностью 5 кВт.

    Проведено длительное тестирование установки при различных режимах работы и с использованием разных материалов (песка и других) для кипящего слоя. Максимальный КПД по электроэнергии составил 15%, а КПД установки выше 90%.

    Предельно допустимые нормы выбросов СО и эмиссия мелкодисперсных частиц (пыли) оказались ниже норм, установленных в ФРГ Федеральным законом о защите окружающей среды от экологически вредных выбросов BImSchV (сокр. от Bundesimmissionsschutzverordnung).

    Длительная работа при полной нагрузке доказала успешность вышеописанной концепции использования двигателя Стирлинга с топкой с кипящим слоем. Помимо достижения высокой эффективности микро-ТЭС, значительно уменьшилось зашлаковывание теплообменных поверхностей и коррозионные процессы.

    В 2019 году в рамках проекта BioWasteStirling перешли от лабораторных тестов описанной микро-ТЭС к практическим шагам – так называемым полевым испытаниям. В этом проекте наряду с FAU принимают участие компании SWW Wunsiedel Frauscher и Thermal Motors. При полевых испытаниях должна быть обеспечена надежная работа микро-ТЭС в течение длительного времени и подтверждены на практике результаты всех проведенных ранее лабораторных испытаний и тестов. В случае успеха, в котором разработчики из Университета FAU нисколько не сомневаются, планируется коммерциализировать проект микро-ТЭС на основе топки с кипящим слоем и двигателя Стирлинга и довести его до серийного производства.

    Стоит напомнить, что в ЕС, и в частности в ФРГ, более 10 лет ряд производителей экспериментировали с внедрением двигателя Стирлинга в малой энергетике. Для генерации электрической и тепловой энергии его использовали в комбинации с пеллетной горелкой, газовыми и твердотопливными (на щепе, дровах и другой твердой биомассе) котлами, солнечными коллекторами и газовыми генераторами. К примеру, фирма Qalovis GmbH использовала двигатель Стирлинга производства США в сочетании с газогенератором прямого процесса с неподвижным слоем, представляющим собой вертикальную шахту, в которую сверху загружается топливо, дутье подается в нижнюю часть, а генераторный газ отводится сверху, то есть газы движутся по шахте газогенератора в направлении, противоположном подаче топлива. На выходе получили 36 кВт электроэнергии и 120 кВт тепловой энергии. При такой комбинации, в отличие от классической схемы ТЭС (газогенератор и поршневой двигатель), не требуется многоступенчатая и дорогостоящая очистка генераторного газа.

    Немецкий производитель котлов Viessmann предлагает микроТЭС с двухпоршневым двигателем Стирлинга Viessmann-Vitotwin, смонтированную в одном компактном корпусе с газовым котлом Vitodens 200-W. Электрическая мощность этой станции равна 1 кВт при КПД 15%, а тепловая – 5 кВт. Общий КПД установки 85%, ее вес 100 кг.

    Во многих европейских странах также пробуют использовать двигатель Стирлинга в бытовых микро-ТЭС.

    К сожалению, бурная деятельность некоторых производителей подобных микро-ТЭС в Европе закончилась банкротством. Прежде всего нужно упомянуть компанию Sunmachine, которая выпускала микро-ТЭС электромощностью 1,5–3 кВт и тепловой мощностью 4,5–10,5 кВт. Станция состояла из двигателя Стирлинга и пеллетной горелки.

    Не пошла в серию и разработка компании SenerTec Dachs Stirling, хотя по индивидуальным заказам она готова производить микро-ТЭС с двигателем Стирлинга (1 кВт электроэнергии и 6 кВт тепловой энергии).

    В 2012 году заявила о банкротстве компания Efficient Home Energy SL (EHE) – испанский производитель микро-ТЭС с двигателем Стирлинга. Примерно одна тысяча выпущенных компанией мини-ТЭС WhisperGen для частных малоэтажных домов были установлены по всей ФРГ. Однако после объявления о банкротстве ЕНЕ прекратила поставку запчастей, сервисное, гарантийное обслуживание и ремонт своих установок.

    Одной из основных причин несостоятельности некоторых компаний – производителей микро-ТЭС с двигателем Стирлинга – это, безусловно, очень высокая цена их установок: Dachs Stirling – почти € 18 тыс., а Sunmachine – € 26 тыс. И это всего за 1 кВт·ч и максимум 3 кВт·ч электроэнергии соответственно! Даже при закрепленной законодательством в странах ЕС возможности подачи выработанной на таких микростанциях электроэнергии в сеть, субсидиях и «зеленом тарифе» это все равно очень дорогое удовольствие, окупаемое за много лет.

    Vitotwin 300W

    Разработчики из FAU учли основные ошибки предшественников и, помимо вышеописанного технологического решения, установили оптимальную конечную мощность микро-ТЭС по электроэнергии 5 кВт. В перспективе при серийном производстве стоимость таких микро-ТЭС должна быть сопоставима с установками других компаний, генерирующими всего 1 кВт электроэнергии.

    Напомним, что двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты, в которых, в отличие от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), горение происходит вне рабочих цилиндров. Работа этого двигателя построена на принципе изменения объема газа при нагреве и охлаждении в замкнутом пространстве цилиндра. Интересно, что изобрел его в ХIХ веке не механик или физик, а шотландский священник Роберт Стирлинг. История его изобретения уникальна: эти двигатели были забыты, но успешно пережили и паровые машины, и двигатели внутреннего сгорания и возродились уже в ХХ веке. Универсальной методики расчета двигателя Стирлинга нет, несмотря на то что изобретению уже более 200 лет. Практически все разработки этого двигателя становятся ноу-хау и коммерческой тайной.

    Читать еще:  Средний расход газа на отопление дома 200м2

    Преимущества двигателя Стирлинга перед ДВС следующие: возможность использования топлива любого вида (внешний подвод тепла от любого источника); максимально простая конструкция – отсутствие клапанов, распредвала, системы зажигания, стартера – обеспечивает долговечность двигателя при непрерывной работе (от 10 до 20 лет до капремонта с техобслуживанием один раз в 2,5–3 года); отсутствие смазки, обеспечивающее существенную экономию при эксплуатации; экологичность за счет отсутствия выхлопа; низкий уровень шума. Кроме того, двигатель Стирлинга обратимый, то есть при подводе извне тепловой энергии на валу (маховике) получают механическую энергию, а при прокручивании вала – холод. Поэтому двигатели Стирлинга широко применяются в криотехнике.

    Однако у изобретения Стирлинга есть существенный недостаток – высокая стоимость, обусловленная необходимостью использования термостойких сплавов и цветных металлов, их сварки и пайки, изготовления регенератора и пр. Для производства двигателей Стирлинга требуется высокотехнологичное оборудование и персонал высокой квалификации, что также значительно удорожает их. Высокие наукоемкость и технологичность производства, а также использование дорогостоящих материалов стали основными сдерживающими факторами широкого распространения двигателей Стирлинга. Но при неограниченном финансировании совсем другая картина: двигатели Стирлинга используются в энергоустановках на космических спутниках и кораблях и современных подвод­ных лодках.

    Во многих российских регионах с децентрализованной энергетикой высокая стоимость двигателей Стирлинга не должна стать препятствием для их использования, поскольку там тарифы на электроэнергию, вырабатываемую дизель-генераторами, составляют до 40–60 руб./1 кВт·ч и выше, а топлива в виде древесных отходов более чем достаточно. Микро-ТЭС с двигателем Стирлинга можно использовать и там, куда слишком дорого или невозможно подавать электроэнергию.

    В России в районах без централизованного электроснабжения проживает около 13% населения, то есть больше 19 млн человек. А централизованное электроснабжение обеспечено только на трети территории страны.

    Как построить эффективный тепловой насос Стирлинга?

    Двигатели или тепловые насосы Стирлинга — это системы, которые могут работать при невероятно малой разности температур. Некоторым вариантам двигателей Стирлинга для работы достаточно даже тепла человеческого тела. В статье мы рассматриваем динамику этой интересной машины, которую можно построить в домашних условиях, и показываем, как создать её модель в COMSOL Multiphysics.

    Современные применения старой идеи

    Сначала немного истории двигателя Стирлинга. Разработанный два века назад в 1816 году Робертом Стирлингом двигатель в то время называли «двигателем будущего». Хотя эта технология так и не стала действительно популярной, двигатели Стирлинга широко используются во многих современных прикладных задачах. Например, солнечный вариант двигателя Стирлинга непосредственно преобразует солнечное тепло в механическую энергию, которая в свою очередь приводит в движение генератор и производит электричество. Кроме того, этот же подход используется для получения энергии из геотермальных источников и тепловых сбросов промышленных предприятий. Вероятно, самая удивительная область, в которой нашли свое применение двигатели Стирлинга — это шведские подводные лодки; в них двигатели Стирлинга обеспечивают тягу даже без доступа к воздуху.

    От тепловой энергии к механической работе

    Мы рассказали о некоторых применениях двигателей Стирлинга, но каков же принцип работы этого устройства? В двигателе Стирлинга тепловая энергия преобразуется в механическую работу в ходе циклического процесса. Детали реализации могут отличаться, но основной принцип остается неизменным. Рабочее тело проходит через четыре процесса: охлаждение, сжатие, нагрев и расширение. Теплота переносится газом от горячей стороны двигателя к холодной. КПД двигателя не превосходит КПД цикла Карно.

    В отличие от обычных двигателей, двигатели Стирлинга не требуют для своей работы высоких температур. Некоторые двигатели успешно работают при небольшой разности температур между горячей и холодной сторонами. Кроме того, для них характерен очень низкий уровень шума и соответствующих потерь энергии, поскольку в рабочем процессе не происходят взрывы и не выделяются выхлопные газы. В то же время двигатели Стирлинга лучше всего подходят для прикладных задач, в которых требуется обеспечить постоянную мощность, поскольку динамически регулировать их мощность чрезвычайно сложно. Это, вероятно, самая главная причина, по которой мы до сих пор не управляем автомобилями с двигателями Стирлинга.


    Двигатель Стирлинга, работающий от тепла человеческой ладони. (Изображение «Двигатель Стирлинга, который работает только от разности температур между окружающим воздухом и ладонью». Собственная работа участника Arsdell. Доступно по лицензии Creative Commons «Атрибуция — На тех же условиях» 3.0 на Викискладе).

    Как построить свой собственный двигатель Стирлинга

    Если у вас есть опыт ручной работы, вы можете сами собрать двигатель Стирлинга в домашних условиях даже без профессиональных инструментов и соответствующего опыта. На YouTube вы можете найти несколько видеоуроков и пошаговых руководств по сборке двигателя. Самый простой вариант можно собрать из банки из-под колы и других ненужных в хозяйстве вещей.

    Конечно, КПД такого двигателя Стирлинга вряд ли будет оптимальным. Более подходящим решением является создание численной модели двигателя.

    Моделирование теплового насоса Стирлинга в COMSOL Multiphysics

    С помощью численной модели двигателя Стирлинга мы можем подобрать и испытать различные сочетания материалов и настройки параметров. Процесс описывается уравнениями теплопередачи и гидродинамики, а для упрощенного описания механической составляющей процесса достаточно решить дополнительное обыкновенное дифференциальное уравнение — уравнение движения.

    Двухмерная осесимметричная модель состоит из основного цилиндра, который содержит рабочее тело (воздух) и поршень. В малом цилиндре вверху расположен приводной поршень. Оба поршня соединены параллельно и двигаются на коленчатом валу, на котором они разнесены по фазе на 90°. Коленчатый вал в модель не включен. Такой вид двигателя Стирлинга называется гамма-конфигурацией.


    Модель теплового насоса Стирлинга.

    Здесь задача теплопередачи в рабочем газе уже решена. Механическая сторона процесса реализуется с помощью подвижной сетки (ALE). Вытеснитель и приводной поршень могут свободно двигаться в направлении z. Установленное смещение соответствует режиму теплового насоса. При этом механическая работа используется для передачи тепловой энергии в направлении, противоположном направлению самопроизвольной передачи теплоты. Обратный процесс — собственно работу двигателя Стирлинга — можно моделировать, используя источник тепла и рассчитывая конечные силы давления на приводной поршень и вытеснитель. В любом случае, система проходит цепочку процессов, которые соответствуют четырем стадиям цикла Карно:


    Термодинамические процессы, действующие на рабочее тело.

    КПД такого цикла далек от цикла Карно, но полученный график зависимости давления от объема, который вы видите ниже, совпадает с экспериментальными данными.


    График зависимости давления от объема в цикле Стирлинга.

    Основное преимущество модели заключается в том, что мы можем изучать физические явления в тепловом насосе. Например, представленное ниже анимированное изображение показывает распределение скоростей во время работы теплового насоса.

    Распределение скоростей во время работы теплового насоса.

    Поршень передает механическую энергию, требуемую для перекачки тепла, а значит, мы можем изучить динамическое распределение температуры во время работы теплового насоса.

    Анимация, показывающая распределение температуры.

    Увеличение КПД

    Чтобы увеличить КПД двигателя Стирлинга, необходимо максимизировать площадь замкнутой области на графике “давление-объем” (pV-диаграмме). Эта площадь соответствует работе, совершенной двигателем. Общий КПД двигателя можно увеличить несколькими способами. Выбор в качестве рабочего тела газа с высокой удельной газовой постоянной (например, с малой молярной массой) максимизирует работу, которую может произвести двигатель в процессе изотермического расширения. Поэтому в качестве рабочего газа обычно используют водород или гелий. Кроме этого, можно максимизировать передачу тепла через вытеснитель, используя пористый вытеснитель-регенератор (см. эту статью).

    Рубрики блога

    Я соглашаюсь с тем, что COMSOL будет собирать, хранить и обрабатывать мои персональные данные согласно моим настройкам и Политике конфиденциальности COMSOL . Я соглашаюсь получать электронные письма от COMSOL AB и его аффилированных компаний о блоге COMSOL. Это согласие может быть отозвано.

    Двигатель Стирлинга

    Очень тесно к современной тенденции использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) примыкает возможность реализации этой энергии в полезных целях с помощью двигателя Стирлинга. Данный двигатель представляет собой одну из вариаций двигателя внешнего сгорания и в силу этой особенности может быть легко переведен на работу от ВИЭ без вреда для экологии.

    Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

    Это изобретение имеет довольно давнюю историю. Шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал двигатель, который с тех пор носит его имя, еще в 1816 г., однако двигатели аналогичного принципа действия были известны и раньше – с конца XVII в. По сути, Роберт Стирлинг лишь усовершенствовал их, сделав конструкцию более энергоэффективной.

    Двигатель Стирлинга – тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело расширяется и сужается в замкнутом объеме вследствие периодического нагревания и охлаждения и совершает работу за счет притока тепловой энергии из внешней среды. Та особенность, что энергия подводится к рабочему телу из внешней среды, создает возможность для работы двигателя Стирлинга не только на энергии, выделяемой при сжигании топлива, но и от любого источника тепла, в том числе от ВИЭ.

    Простейший двигатель Стирлинга представляет собой герметичный цилиндр, заполненный газом или жидкостью, внутри которого размещаются вытеснительный и рабочий поршни. Поршень-вытеснитель также имеет форму цилиндра, диаметр которого меньше внутреннего диаметра большего цилиндра настолько, что между их стенками остается небольшой зазор, по которому может перетекать газ или жидкость, заполняющая цилиндр. Рабочий поршень размещается за вытеснительным и толкает маховик, с которым связаны оба поршня по принципу кривошипно-шатунного механизма. Внешний цилиндр двигателя подогревается с одного конца. При этом рабочее тело (газ, жидкость) нагревается практически при постоянном объеме, затем рабочее тело расширяется при постоянной температуре, совершая работу и толкая рабочий поршень. Рабочее тело перемещается поршнем-вытеснителем в холодную зону, где происходит охлаждение при почти постоянном объеме.

    Читать еще:  Инновации в отоплении частного дома

    Движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При нулевом сдвиге машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение).

    Если физико-химические характеристики рабочего тела и цилиндра подобраны так, что в процессе цикла «расширение-сжатие» материал рабочего тела проходит через фазовый переход, работа двигателя может быть весьма эффективной, но потребует высокого давления внутри цилиндра.
    Стирлинг усовершенствовал двигатель за счет введения в него так называемого «эконома» – теплообменника-рекуператора или регенератора, который удерживает тепло в теплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Тем самым рекуператор (регенератор, эконом) повышает производительность двигателя. Рекуператор двигателя Стирлинга может представлять собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа или жидкости). Газ или жидкость рабочего тела, проходя через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдает (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (или отдает) его.

    По термодинамической эффективности идеальный цикл Стирлинга не уступает циклу Карно, состоит из четырех фаз и разделен двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от теплого источника к холодному происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счет чего можно получить полезную работу. Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится рекуператором. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое рекуператором, одинаково. Полезная работа производится только за счет изотерм и зависит от разницы температур нагревателя и охладителя.

    Рекуператор может быть внешним, а может размещаться на поршне-вытеснителе, что делает габаритные размеры и вес двигателя меньше. Роль рекуператора выполняет также зазор между вытеснителем и стенками цилиндра. При большой длине цилиндра надобность в дополнительном рекуператоре вообще исчезает, но появляются значительные потери на преодоление вязкости рабочего тела.

    В зависимости от особенностей конструкции, в том числе от размещения рекуператора, различают несколько типов двигателя Стирлинга.

    Типы двигателя Стирлинга

    Традиционно выделяют альфа-, бета- и гамма-Стирлинг.

    Альфа-Стирлинг содержит два раздельных силовых поршня (горячий и холодный) в раздельных цилиндрах. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объему достаточно велико, но высокая температура «горячего» поршня создает определенные технические проблемы.

    В альфа-Стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

    Работа бета-Стирлинга описана выше как пример наиболее простого двигателя Стирлинга. Цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещен с поршнем-вытеснителем.
    В конструкцию гамма-Стирлинга входят два цилиндра, а также поршень и «вытеснитель». В холодном цилиндре движется поршень, с которого снимается мощность. Во втором цилиндре, горячем с одного конца и холодным с другого, движется поршень-вытеснитель. 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.

    Существуют и другие разновидности двигателя Стирлинга. Одним из самых интересных современных решений является роторный двигатель Мухина – наиболее компактный в ряду двигателей Стирлинга. Одним из его достоинств является отказ от кривошипно-шатунного механизма.

    Преимущества и недостатки

    Двигатель Стирлинга в XIX в. создавался и рассматривался как взрывобезопасная альтернатива паровым двигателям. Он действительно безопасен в этом отношении, но это не единственное его преимущество.

    Как все двигатели внешнего сгорания, двигатель Стирлинга может работать от любого перепада температур. Это определяет и возможность создания двигателей Стирлинга, совсем не наносящих при работе вреда экологии. Его конструкция проста, значительно проще двигателей внутреннего сгорания, предусматривающих газораспределительные системы для сжигания топлива, системы пуска двигателя и др. Двигатель Стирлинга при работе производит очень мало шума, значительно меньше, чем любые двигатели внутреннего сгорания. Безаварийный ресурс двигателя очень высок, этому способствует простота конструкции и отсутствие «уязвимых» узлов, которые, например, могут засоряться при сжигании топлива (в роторном двигателе Стирлинга, как говорилось выше, отсутствует даже кривошипно-шатунный механизм). Наконец, двигатель Стирлинга характеризуется достаточно высоким КПД.

    Несмотря на указанные преимущества, двигатель Стирлинга не получил такого широкого распространения, как например, газо-поршневые или газо-турбинные двигатели внутреннего сгорания. Его недостатки перевешивали до настоящего времени вроде бы очевидные преимущества. Основным из недостатков двигателей Стирлинга считается высокая материалоемкость производства машин необходимой мощности. Рабочее тело двигателя Стирлинга необходимо охлаждать, что приводит к существенному увеличению массы и габаритных размеров установки за счет увеличенных радиаторов. Достижение характеристик двигателя уровня двигателей внутреннего сгорания требует высокого давления (свыше 100 атм) в цилиндре.
    Однако в последнее время, когда большое внимание уделяется экологическим характеристикам оборудования, применение двигателей Стирлинга может значительно расшириться, причем в различных сферах.

    Применение и перспективы

    В настоящее время рядом зарубежных фирм (Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling) начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки. Эти двигатели имеют эффективный КПД (до 45 %), удельную массу от 3,8 до 1,2 кг/кВт, ресурс до 40 тыс. ч и мощность от 3 до 1200 кВт.

    С 60-х гг. прошлого века двигатели Стирлинга начали применять на подводных лодках. Пионером на этом направлении выступила Швеция. В настоящее время шведские кораблестроители уже отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок путем врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка. Двигатели Стирлинга позволяют подводным лодкам находиться под водой без всплытия до 20 суток. Подобные двигатели установлены также в новейших японских подводных лодках.

    Одно из важнейших и самых перспективных применений двигателей Стирлинга – выработка электроэнергии. В данном случае большое значение имеет универсальность этих двигателей в отношении источника энергии и возможность работать при перепадах температур в таких диапазонах, где двигатели внутреннего сгорания применяться не могут. В частности, рассматриваются варианты применения двигателей Стирлинга для выработки электроэнергии в космосе. Такой двигатель, работающий на радиоактивных изотопах, разработан в NASA.
    Большие надежды возлагаются на использование двигателей Стирлинга для преобразования солнечной энергии в электрическую. В этой установке солнечной электростанции двигатель Стирлинга устанавливается в фокусе параболического зеркала таким образом, чтобы отраженные лучи солнца постоянно фокусировались на зоне нагрева. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В качестве рабочего тела для таких двигателей Стирлинга используется водород или гелий. Эффективность выработки электроэнергии на этих установках (Sandia) достигает 31,25 %.

    Компания Stirling Solar Energy строит в Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию, представляющую собой батарею из параболических солнечных установок, оснащенных двигателями Стирлинга. Выпускаются также и небольшие солнечные электростанции с двигателями Стирлинга, которыми могут пользоваться даже туристы. Фирмой Alisson разработан и построен космический вариант солнечной установки с двигателем Стирлинга мощностью 5 кВт (КПД 37,5 %). В качестве источника теплоты используется параболический лепестковый концентратор диаметром 5,8 м, создающий в приемнике температуру 947 К. В ловушке приемника излучения устанавливается тепловой аккумулятор, отдающий тепло фазового превращения при постоянной температуре на теневых участках орбиты полета. Такая установка долгое время работала на одном из искусственных спутников Земли типа Gemini. В России РКК «Энергия», РНЦ им. Келдыша разрабатывали солнечную энергетическую установку для МКС «Альфа» на основе ДС мощностью 10 кВт и 36-лепесткового солнечного концентратора диаметром 10 м. Двигатель Стирлинга был создан и испытан на одном из предприятий Санкт-Петербурга в 2001 г.

    Просматриваются интересные перспективы применения двигателя Стирлинга в тепловых насосах. Обычно в состав теплонасосной установки включается циркуляционный насос, который перекачивает теплоноситель по контуру, имеющему значительную протяженность. Агрегат, совмещающий двигатель Стирлинга и тепловой насос Стирлинга («стирлинг-стирлинг»), может изменить ситуацию. Двигатель Стирлинга отдает в систему отопления бросовое тепло от «холодного» цилиндра, а полученная механическая энергия используется для подкачки дополнительного тепла, которое забирается из окружающей среды. В теплонасосе «стирлинг-стирлинг» совершенно отсутствуют рабочие поршни. Перепады давления, возникающие в двигателе, применяются непосредственно для перекачки тепла тепловым насосом. Внутреннее пространство агрегата герметично и позволяет использовать рабочее тело под очень высоким давлением. Согласно проведенным расчетам тепловой насос «стирлинг-стирлинг» в идеале должен на каждую калорию сожженного газа добавлять еще 3–10 кал из ВИЭ. При испытаниях эта величина оказалась меньше, и пока опыты по использованию таких устройств прекращены.

    Поскольку двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию любого вида теплоты, для России значительный интерес представляет возможность серийного производства электрогенераторов средней мощности (от 3 до 500 кВт) с двигателями Стирлинга, работающими на местных видах топлив, в том числе и на биомассе. В данном случае в качестве местного топлива могут использоваться торф, уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности и др.

    В настоящее время рядом компаний (Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling) начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых превосходят двигатели внутреннего сгорания и газотурбинные установки. Эти двигатели характеризуются КПД до 45 %, удельной массой от 3,8 до 1,2 кг/кВт, рабочим ресурсом до 40 тыс. ч и мощностью от 3 до 1200 кВт.

    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector