Так в чем же проблемы изготовления двигателя Стирлинга с высоким КПД?

[sivnvv.livejournal.com]

   Как и большинство "виртуальных стирлингостроителей", заинтересовавшихся теоретическим КПД двигателя "Стирлинга", столкнулся с множеством вопросов и заново вспомнил (да и пересмотрел с практической точки зрения) законы термодинамики. В итоге, так до конца и не выяснил, почему же при таких хороших показателях в теории, все так плохо обстоит на практике. Вот то, что смог нарыть в Интернет.

  1.  Теоретический КПД, вроде бы, может быть равен КПД идеального цикла Карно (то есть максимально возможному, при определенной разнице температур),но при условии "идеального" регенератора, с коэффициентом теплопередачи 1,0. Вот тут неясно. В одних источниках пишут, что максимальный коэффициент 0,5, обосновывая тем, что тепло будет переходить от горячего тела к холодному, пока не сравняется их температура, то есть достигнет половины разницы температур горячего и холодного тела (тот самый коэффициент 0,5). Но в некоторых источниках упоминается коэффициент теплопередачи регенератора до 0,98, при этом не описывается, каким образом это достигается. Где правда, непонятно.
  2. Альфа-стирлинг (два цилиндра с поршнями - горячий и холодный) имеет проблемы со смазкой горячего поршня. Тогда почему именно этот тип пользуется популярностью?
  3. Бетта-стирлиг (один цилиндр, с вытеснителем в горячей части и поршнем в холодной) и гамма-стирлинг (два цилиндра - горячий с вытеснителем и холодный с поршнем) не имеют проблем со смазкой, так как трение о стенки только в холодном цилиндре, а вытеснитель имеет зазор от стенок цилиндра и не нуждается в смазке. То есть, такие двигатели могут работать с большой разницей температур, а значит с большим КПД. Но, почему-то, они считаются менее перспективными, чем альфа-стирлинги.

   К тому же, важным показателем, влияющим на КПД, является время циклов (количество оборотов) – чем оно больше, тем лучше теплообмен и выше КПД. Но, при этом, наблюдается «гонка за оборотами», которую обосновать чем-то, кроме как маркетинговыми интересами довольно трудно. То есть, причина типа «потери в редукторе при низких оборотах» не выдерживает критики – такие потери исчисляются всего лишь процентами, а прирост КПД может быть выше 10-30%. Поэтому, создается ощущение, что разработчики гонятся больше за такими характеристиками, как удельная мощность и оборотистость, чтобы противопоставить «стирлинги» ДВС, а КПД приносят в жертву.

   Но ведь можно оставить пока гонки с ДВС на транспорте и сосредоточится на стационарных двигателях Стирлинга, работая над повышением их КПД и удешевлением конструкции.  Работающие на любом виде топлива, в том числе и на солнечной энергии,  эти двигатели могут, в перспективе, конкурировать с солнечными батареями. И у них неплохие перспективы в области возобновляемой энергии, в том числе древесное топливо, которое за счет солнечной энергии «восстанавливается» за несколько десятилетий. И опять же, всеядность этих двигателей позволяет создавать электростанции (в том числе бытовые) комбинированного типа – пока есть солнце, работает от солнечной энергии, когда нет, то на твердом топливе.

   Правда, достижение высокого КПД, это не единственное направление, за которое стоит бороться, двигатели Стирлинга имеют еще один недостаток – так как источник тепла находится за пределами объема двигателя, а рабочее тело (газ) имеет низкую теплопроводность, то получается, что в работе участвует только газ, находящийся у стенок цилиндра. А значит, что отношение роста мощности к увеличению объема цилиндра, находится в обратной квадратичной зависимости. То есть, чтобы увеличить мощность в 5 раз, надо увеличить объем цилиндра в 25 раз.
   Именно поэтому, на заре «стирлингостроения» более-менее мощные двигатели были массивнее даже паровых машин при той же мощности. Сейчас эта проблема решается путем накачки двигателя газом под большим давлением, то есть увеличивается масса рабочего тела при том же объеме. Но этот путь тоже тупиковый – в двигателях больше пары литров, опять же, стоит та же проблема, квадратичное отношение роста объема к росту мощности. Да и проблемы с утечкой рабочего тела при давлениях в 100-200 атмосфер трудно решить.

   На этом фоне, более перспективным видится другое решение – заставить работать весь газ внутри двигателя, независимо от объема. Такое решение, несмотря на простоту реализации было предложено только недавно (источник - http://zayvka2016131416.blogspot.ru/) - поставить насос или вентилятор, которые будут создавать потоки газа внутри двигателя. И, по аналогии с вентилятором, дующим на радиатор, будет увеличиваться скорость охлаждения стенок цилиндров рабочим газом двигателя и обеспечиваться максимальное участие этого газа в работе, независимо от размера цилиндра. По идее, это должно дать толчок развитию двигателей Стирлинга, так как позволяет создавать довольно простые и мощные варианты этих двигателей.
   А если не гнаться за массогабаритными показателями автомобильных ДВС, то, может быть, скоро мы наконец то услышим о двигателях, работающих на дровах или солнечной энергии, с КПД 60-70%. И пусть они не смогут конкурировать по размерам с ДВС, но зато могут обеспечить выработку дешевой электроэнергии. А это, в свою очередь, может поспособствовать увеличению экономической целесообразности электромобилей. Ну, а в сочетании с получающими распространение пиролизными  котлами, может привести к полной автономии в энергоснабжении жилья (особенно новых домов, для подключения которых к электросети и газопроводу требуется немалая сумма).

   Вот как-то так. Буду рад услышать критику моих выкладок.

Comments

[shamaner.livejournal.com]

тут интересней другое: почему двигатель Стирлинга не ставят после турбины (АЭС или ТЭС), ведь согласно циклу Карно 50% затраченной энергии уходит на нагрев окружающей среды (в градирнях или пристанционных водоемах). говорят, КПД при нынешних материалах очень маленький, пара-тройка процентов - хз насколько правда.

[antontsau.livejournal.com]

после хорошей турбины тэс температуры уже нет совсем, 60 градусов, и давление 0.2 атм.

Мало кто осознает, что на Титанике, 100 лет назад, паровая турбина стояла ПОСЛЕ поршневых машин и выдавала свои 15000 лысы имея на входе пар с температурой градусов 80 и давлением что-то около 0.7

.

[shamaner.livejournal.com]

как это пар 80 градусов? там шо разряжение было?

[antontsau.livejournal.com]

сюрприз-сюрприз! Именно так и делаются приличные конденсационные паровые установки. После турбины температура 50-60 и давление 0.2-0.3, это все конденсируется, стекает в бак и оттуда ОТСАСЫВАЕТСЯ насосами, уже в виде воды, создавая это самое разрежение ПАРА, то есть при том же давлении на пару порядков бОльшего обьема рабочего тела.

[zel-dol.livejournal.com]

В АЭС и часто на ТЭС турбины конденсационные и там уже ничего не отберешь. А если на ТЭС соснащенными турбинами с противодавлением и отбирать, то как правило получается неэкономично, т.к цена электроэнергии достаточно низкая.
А вот для газопоршневых или можно поставить водяной котел и паровую турбину или использовать органические вещества вместо пара.

[shamaner.livejournal.com]

а чо не отберешь? дельта т конечно небольшая, зато халявная совершенно.

[zel-dol.livejournal.com]

В том то и дело, что не халявная получается. Кап затраты на КВт дополнительной мощности запредельные.
А электроэнергия с главного генератора станции например имеет стоимость около рубля или из сети чуть дороже.

[beobahter.livejournal.com]

"А вот для газопоршневых или можно поставить водяной котел и паровую турбину "

Turbosteamer (https://en.wikipedia.org/wiki/Turbosteamer)

[sivnvv.livejournal.com]

Да потому что, там что не ставь, КПД преобразования энергии будет небольшим - (Тнагр.-Тхолод)/Тнагр*100%. И это в идеале, по факту гораздо меньше. Городить там еще одну цепочку двигателей невыгодно. Другое дело если изначально ставится двигатель, который может преобразовать энергию при охлаждении вплоть до окружающей среды (тот же Стирлинг). Вот поэтому и пишу, что лучше бы разработчики не гнались за автомобильными ДВС, а думали в направлении стационарных.

[fan-d-or.livejournal.com]

Остаточное тепло можно без проблем почти полностью рекупировать в нагрев воды перед подачей её в котёл и тратить в котле для получения того же пара с меньшими энергозатратами.
Противопоточный рекуператор - не проблема и не требует больших капзатрат. Особенно, если габаритами не ораничен...

Да и вообще - сливать в накопительный бак кипяток никто не запрещал: подавать в парогенератор крутой кипяток вполне себе конструктивно...

[sivnvv.livejournal.com]

А зачем рекуператор, если можно просто взять сразу эту горячую воду? Или слово очень понравилось?