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

[stanover.livejournal.com]

идеальный стирлинг будет работать и без регенератора на критических температурах, регенератор - это инженерное внедрение, а не теоретическое.

чем выше разность температур газа на поршнях тем выше кпд - вот и весь смысл.

Проблема стирлинга не в регенераторе или расположении поршней, а в отсутствии материалов или их огромной дороговизне, способных работать при нагрузках, обеспечивающих КПД свыше 65%. По-этому он нигде не применяется, а разработки остановлены.

[sivnvv.livejournal.com]

Без регенератора, КПД цикла Стирлинга был бы очень далеко от КПД цикла Карно - там обратимые адиабаты, а здесь изохоры обратимы только при использовании регенератора, иначе тепло затраченное на повышение давления, чтобы осуществить изотерму, которая дает механическую энергию, приходится выбрасывать в атмосферу. И потери на охлаждение по изохоре без регенератора в два раза больше чем получается работы от изотермы.
Для примера в цифрах - при температуре нагревателя 450 К, а холодильника 293К, нагрев по изохоре требует ~3000 Дж, расширение/нагрев по изотерме (работа) ~1500 Дж, охлаждение по изохоре ~-3000 Дж, сжатие/охлаждение по изотерме ~-1000 Дж (затрачиваемая работа). Если стоит регенератор, то на нагрев по изохоре используется энергия полученная регенератором при охлаждении (то есть 3000-3000=0) и КПД двигателя (1500-1000)/1500*100%=33,33%, что близко к КПД Карно для этих температур (450-293)/450*100%. Если же без регенератора, то эти 3000 Дж, затраченные на изохорный нагрев уйдут в атмосферу, и тогда КПД будет ((3000+1500)-(1000+3000)) / (3000+1500)=500/4500*100%=11,11%. Есть разница 33,33% или 11,11% ?

[stanover.livejournal.com]

Автор у тебя по физике что было в школе?
Ещё раз, почему регенератор не нужен: идеальный стирлинг будет работать без регенератора на критических температурах.
т.е. если температура холодильника 1 К, а температура нагревателя 100 К, то КПД двигателя будет 99%.

Регенератор - это инженерное решение, для снижения нагрузки на холодильник и нагреватель в нашем реальном несовершенном мире, чтобы увеличить КПД.

Идеальному стирлингу регенератор не нужен. Так что все твои расчёты пустой трёп. Комнатные стирлинги вполне себе работают без регенераторов с ничтожным КПД.

Ещё раз, почему стирлинги сейчас не популярны: на текущий момент, технологический уровень промышленного производстве не позволяет создать двигатели стирлинга с КПД свыше 65% из-за отсутствия материалов, способных работать в сложных условиях среды внутри данного двигателя.

Стирлинги с КПД равным КПД двигателям внутреннего сгорания, неконкурентоспособны из-за очень высокой стоимости их производства и на несколько порядков меньшего ресурса.

[sivnvv.livejournal.com]

То, что Стирлинг будет работать без регенератора, мои расчеты никак не утверждают - только то, что КПД упадет ниже плинтуса. Поэтому то, что "комнатный стирлинг работает без регенератора с ничтожным КПД" - это нормально. И если мои расчеты "пустой треп", то чем тогда можно назвать твои не аргументированные категоричные утверждения?

[stanover.livejournal.com]

что конкретно я не аргументировал?

[sivnvv.livejournal.com]

То, почему КПД цикла Стирлинга без регенератора будет равен КПД цикла Карно? Как будет использована энергия, которую необходимо "отобрать" у рабочего тела в процессе изохорного охлаждения, если не пустить ее в регенератор, для последующего использования при изохорном нагреве?

[stanover.livejournal.com]

в идеальных условиях эти циклы идентичны. Термический коэффициент полезного действия обоих циклов рассчитывается одинаково. Бред несешь какой-то.

[sivnvv.livejournal.com]

То есть пойдем по кругу:
- "регенератор не нужен, ты несешь бред"
- "нет не бред вот аргументы, расчеты"
- "расчеты бред"
- "докажи почему бред"
- "что доказать?"
- "почему регенератор не нужен, а мои аргументы и расчеты бред"
- "регенератор не нужен, ты несешь бред"

Я на это время тратить не собираюсь. Можешь по каждому процессу цикла опровергнуть мои аргументы и расчеты - делай. А голословные заявления меня не интересуют. Ты хотя бы статью в вики прочитал что ли, прежде чем их делать. Раз уж на самостоятельные размышления не способен.

[stanover.livejournal.com]

вот открой статьи в вики и посмотри графики обоих циклов, а также формулы расчёта коэффициентов полезного действия - они идентичны.

[sivnvv.livejournal.com]

Идентичны? А ничего, что в формуле расчета без регенератора, в знаменателе к теплу, полученному по изотерме, прибавляется еще и тепло затраченное (в пустую) на изохору? Учи физику или хотя внимательнее читай.

[stanover.livejournal.com]

вот они плоды нового российского образования. позор.

дружок, проблемы с чтением у тебя. я повторюсь в третий раз: идеальный стирлинг будет работать без регенератора на критических температурах. и этот цикл будет идентичен идеальному циклу Карно.

включи мозги, если температура холодильника 1 Кельвин и она постоянна и холодильник способен поглотить любое кол-во энергии, сохраняя этот 1 Кельвин, а температура нагревателя 100 Кельвинов, и ни градусом ниже и он всегда примет холодный газ и нагреет его в 100 раз, и нет между ними регенератора, а газ перемещается между ними, то КПД такой идеальной системы будет 99% и этот расчёт будет идентичен расчёту цикла Карно, т.е. формула расчета у них одинаковая.

[sivnvv.livejournal.com]

Я не знаю какое там у тебя образование (у меня оно, кстати, на половину советское, хотя это и не существенно), но оно явно с большими пробелами, которыми ты прямо таки блещешь.

Изучи вначале первое и второе начало термодинамики, вдумчиво разберись с изопроцессами, а потом попробуй разложить работу теплового двигателя по циклам. А то у тебя там кто-то что-то поглощает, принимает и перемещается, а для выполнения работы в тепловой машине необходимо, чтобы расширялось. И бесконечно расширяться газ не может, его необходимо периодически сжимать и охлаждать. И тратить на это энергию, часть которой регенератор и позволяет экономить (но именно в цикле Стирлинга, в Карно он не нужен).

Поэтому еще раз повторяю, пока ты не распишешь все это по циклам (а судя по всему никогда не распишешь), продолжать этот диалог бессмысленно.

[stanover.livejournal.com]

T—V последовательность идеального цикла Стирлинга, без регенератора:

1—2 изотермическое расширение рабочего тела с подводом тепла от нагревателя;
2—3 изохорный отвод тепла от рабочего тела к холодильнику;
3—4 изотермическое сжатие рабочего тела с отводом тепла к холодильнику;
4—1 изохорический нагрев рабочего тела с подводом тепла от нагревателя.

и чё?

[sivnvv.livejournal.com]

И то, что я предлагал подумать и написать, что происходит в каждом процессе - где и какая часть тепла превращается в работу, а где тратиться на нагрев холодильника. А не тупо текст из википедии скопировать. Подумать зачем нужен "изохорический нагрев" и "изохорный отвод тепла". Но похоже думать - это не твое.

Из предыдущего поста у меня вообще сложилось ощущение, что ты считаешь, что работа в двигателе совершается каким-то волшебным образом в процессе нагрева рабочего тела от температуры холодильника до температуры нагревателя (или может при охлаждении). А из этого следует, что ты вообще не представляешь принцип работы двигателя и что такое изохора или изотерма.

Так вот нагрев по изохоре от Тхолод до Тнагр, вообще не совершает работы - он повышает температуру и давление рабочего тела (4-1), а уже затем, при этой постоянной температуре (которая поддерживается по изотерме), происходит расширение и выполнение работы за счет подвода тепла в этом цикле(1-2). И только тепло полученное в этом цикле выполняет работу. А затем у нас в цилиндре получается газ расширившийся больше исходного объема и с температурой нагревателя, который нельзя просто сжать обратно, так как повысится температура выше температуры нагревателя, поэтому он вначале охлаждается по изохоре (2-3, при неизменном объеме с падением давления). А затем сжимается до исходного объема, а чтобы его температура при сжатии не увеличивалась, во время сжатия он охлаждается (3-4 - изотермическое сжатие).

Ну а дальше цикл повторяется. Если нет регенератора, то тепло полученное в цикле 4-1, будет отдано холодильнику в 2-3, то есть будет расходоваться в пустую. Если есть регенератор, то подвод тепла в цикле 4-1 не требуется. Точнее оно требуется только в самом первом цикле 4-1 при запуске двигателя, а дальше цикл повторяется без затрат энергии. Поэтому потери, на охлаждение, будут только в цикле 3-4, также как и в цикле Карно. Без регенератора холодильнику будет отдано "лишнее" тепло и в 3-4 и в 2-3.

[stanover.livejournal.com]

я устал повторять, открой графики и формцлы расчёта кпд обоих циклов и найди 1 отличие.

[sivnvv.livejournal.com]

Я тебе это отличие указывал еще пять постов назад. Но, похоже "чукча не читатель, чукча писатель". И зачем мне тогда "метать бисер"? Даю конкретное указание на это одно отличие в формуле (жирным выделяю) - (Q1-2 - Q3-4) / (Q1-2 + Q4-1). Вот эта теплота Q4-1, эта та самая изохора, которой нет в формуле с регенератором, потому что в цикле с регенератором нет затрат на этот нагрев. Поэтому, внимательно и вдумчиво, прочитай хотя бы статью в википедии - даже там все подробно и понятно написано.
Если уже и конкретное указание в формуле тебе не понятно, то это уже "клиника". Тогда физика (да, пожалуй, и математика) явно не твое. Твое, наверное, заниматься троллингом по любым вопросам, независимо от наличия знаний в этих областях.

[stanover.livejournal.com]

ни те формулы ты мне показываешь.
Сравни диаграммы циклов и формулы расчета кпд, я о них тебе пишу, а внутренние процессы имеют особенности для каждого цикла.
Исходный результат Карно и Стирлинга подсчитываются идентично.

[sivnvv.livejournal.com]

Я тебе как раз формулу расчета КПД для цикла Стирлинга без регенератора и показываю. Она именно "та". Ты же никакой конкретики не приводишь, только говоришь о каких-то других мифических формулах. Что касается диаграммы циклов, то в диаграмме цикла Стирлинга, идентичном циклу Карно, используется регенератор. И на такой диаграмме условно показывается переход тепла через регенератор. Если ты где-то увидел диаграмму без регенератора, которая идентична Карно, то это не значит, что эта диаграмма правильная.