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

[avotara.livejournal.com]

КПД бытового котла велик благодаря низкой температуре воды, на входе в котел она порядка 30 градусов. Эта холодная вода попадает в теплообменик на дымовой трубе отбирая остатки тепла у дыма, дальше она опускается на нижние уровни теплообменика находящиеся в горячем огне. За счет такого направления потока и обеспечивается высокий КПД съема.
В стирлинге температура рабочего тела значительно выше а значит даже теоретический КПД значительно ниже.
О прочности: на 120 градусах сталь теряет около 20% прочности, на 200-х около 80%.
Т.е. цилиндр надо делать из вольфрама или молибдена.

Температура пара на ТЭЦ обычно не превышает 250 градусов именно из-за того что трубы способные передать пар с большей температурой будут стоить космических денег, КПД их никогда не окупит.

[sivnvv.livejournal.com]

Не знаю, насколько помню, температура пара перед турбиной 500-600 градусов, а после около 200. Откуда такие потери прочности при столь низкой температуре? Впрочем, я же как раз пишу о том, что если увеличивать объем а не давление, то требования к материалам смягчаются. Ну неужели давление в 10 атмосфер при температуре 800-900 градусов приведет к существенной деформации цилиндра из 2 мм железа? Ну а насчет КПД нагрева, то вынужден согласится, хотя, при хорошем отводе тепла к рабочему телу, в некоторые моменты двигатель все же сможет отбирать тепло при низкой температуре. В целом это хоть немного, но может поднять КПД. Возможно с высоким КПД все же есть проблемы. Но опять же, Стирлинг интересен и с КПД 30-40%, учитывая всеядность и возможность совмещения с системой отопления и использования солнечной энергии (солнечным батареям пока далеко до такого КПД).

[avotara.livejournal.com]

10 Атмосфер разорвут 2 мм железа, без нагрева
Для справки: толщина стенки водопроводной 0.5" трубки 3.5 мм у Ду 100 мм 4.5 мм должна выдержать на разрыв (коротковременно) 25 атмосфер при комнатной температуре.
800-900 градусов это оранжево-желтое свечение, сталь которая выдержит такую температуру 20Х23Н18 (это нерж, при чем дорогой нерж) от 1000 до 10000 часов работы, этот нерж склонен к жарохрубкости на температуре от 600 до 800 градусов

Обыкновенная ст3 становится жарохрубкой на температурах примерно от 250 до 300 градусов. начиная от 110 градусов начинает терять упругость. Я ошибся в предыдущих комментариях - прочность на этих температурах она не теряет, даже наоборот приобретает, но теряет надежность из-за жарохрубкости и потери упругости только после 300 градусов начинает обвально теряться прочность например на 900 градусах составляет 3.9% от номинала

п.с. Кривые было найти очень сложно.

Кривую для жаропрочной нержавки найти не удалось (ее жарохрубкость была в текстовом описании).

[sivnvv.livejournal.com]

Ну я не настаиваю на 2 мм, так же как и на 10 атм. И я не специалист в этой области, хотя как-то очень уж хрупкой видится 2 мм сталь которую рвет при 10 атмосферах - в быту используются пластиковые емкости, которые при стенках в 2 мм даже не деформируются при давлении в 3-4 атмосферы. Речь точно об атмосферах, а не мегапаскалях? Ну и потом, не обязательно весь корпус цилиндра выполнять из тонкого материала, можно же еще заключить в более толстые обручи. Причем даже некоторое раздутие между обручами не особо скажется на работоспособности вытеснительного цилиндра - главное чтобы хотя бы в одном месте был маленький зазор между вытеснителем и стенками цилиндра.
Да и почему обязательно сталь или жаропрочная нержавейка?

[avotara.livejournal.com]

Почему нержавейка - потому что чугун такую температуру уже не держит (цилиндры ДВС делают из чугуна, включая калильные двигатели)
Специальные термостойкие сплавы дороже и не все держат воздействие огня; вольфрам, молибден и металлокерамики на их основе вообще копец дорогие.
Делать цилиндры из керамики (огнеупорного кирпича) не очень эффективно в виду низкой теплопроводности последнего.

- в быту используются пластиковые емкости, которые при стенках в 2 мм даже не деформируются при давлении в 3-4 атмосферы

Толщина стенки стакана бытового фильтра около 4-5 мм, до 6 атмосфер

Есть большая разница между Накачали - не разорвало и Можно эксплуатировать
Например пластиковая труба (полипропилен) 0.5" имеет толщину стенки 4 мм, 2" - 8 мм
Эта труба держит 10 атмосфер при 25 градусов 2-3 года, а если взять 4 атмосферы (максимальное бытовое давление) то будет служить 40 лет.
Так-же и с металлом: есть предел прочности и есть предельное рабочее напряжение. Между этими значениями пропасть... Предельное напряжение делится по типам нагрузки: постоянная, переменная (как в стирлинге) и самая худшая - знакопеременная
Пример опять по ст3*
Предел прочности (временное сопротивление) 370 МПа
Предел текучести (перенести нагрузку без постоянной деформации) 255 МПа
Допустимое напряжение напряжение при знакопеременной нагрузке на растяжение 70 МПа для
переменной 90 МПа и постоянной 125 МПа

* указываю по ст3, потому что у меня на нее есть данные, только для примера.

Т.е. если трубка из предыдущего комментария держит испытательное давление 25 атмосфер то в эксплуатации на нее больше 12.5 атмосфер подавать нельзя.

Метал тоже устает, у него тоже есть горячий стаж.
Я не случайно в предыдущем комментарии указал срок службы НЕРЖа 1000-10000 ч это от 1.3 месяца до года.
Такой малый срок службы из-за огромной температуры.

Изготовить корпус цилиндра из бесшовной сортовой трубы из коррозионно-стойкой стали с толщиной стенки хоть 28 мм и диаметром до 219 мм -- не проблема!
Проблема в долговечности

Я думаю что инженеры уже нашли точку максимальной экономической эффективности Стирлинга и она оказалась ниже чем у дизеля.

Раньше, закончив универ, я думал что можно старые конструкции, разработки довести до ума используя современные технологии и материалы... С опытом работы и получением специальных знаний понял что за последние 20-30 лет ничего революционного не придумано, а старые конструкции уже доведены до совершенства. Чтоб развиваться, нужно смотреть вперед, искать новые принципы.
Или смиренно ждать пока появится новый материал который можно применить в старой конструкции...

[sivnvv.livejournal.com]

Еще раз хочу отметить, что я не говорю о том, что стирлинг будет работать вечно без износа. Я говорю только о том, что если сейчас делаются стирлинги с температурой 750 градусов (солнечные) и давлением 100-200 атм., то для изготовления стирлингов той же мощности, но с большим объемом и давлением 10-20 атмосфер можно использовать менее дорогие материалы, либо с немного большей температурой (либо и то и другое вместе). Это неверно? Неужели, например, обычная железная бочка (не жестяная, а железная с толщиной стенок 2-4 мм) литров на 50, не продержится хотя бы год в качестве вытеснительного цилиндра при температуре градусов 500С и перепадами давлений 4-8 атмосфер? При условии антикоррозийного покрытия снаружи и азота внутри.

[avotara.livejournal.com]

конечно не выдержит
По ГОСТ 949-73 баллон из углеродитой стали наружным диаметром 219 мм на 19,6 МПа ~ 200 атмосфер имеет толщину стенки 8.9 мм, баллон можно эксплуатировать при температурах от -50 до +60

Конечно если снизить давление 20..100 атмосфер и температуру до 500..600 градусов то цилиндры можно сделать из жаропрочного чугуна марки ЧХ, он как раз для деталей турбокомпрессоров работающих при сходных температурах. Не сказал-бы что такой цилиндр будет дешевым, но зато очень долговечными. Определяющим в долговечности и применимости материалов является температура. Как я ранее писал: толщина стенок не проблема.

Есть чугун ЧХ 3 дежащий 700 градусов (тоже для компрессоров) видимо из-за этого и выбрана такая температура в солнечных стирлингах.
И тут мы приходим к выводу: то что было реально изготовить уже сделали.

Какой КПД будет у стирлинга большого объема не рассчитывая не предугадаешь.

[sivnvv.livejournal.com]

Ну вот, то есть понижение давления может расширять список применяемых материалов и, если снижать давление еще ниже (не 20-100 атмосфер, а 4-10 или вообще 2-6), то может можно другие подобрать - менее прочные к механическим воздействиям, но лучше показывающие себя при высоких температурах? Если отказаться от альфа-стирлинга, с его горячим поршнем, то требования к сохранению формы горячей части не так уж важны - главное чтобы не лопнула

То что сейчас изготавливается ограничено объемом цилиндра, единственный способ роста мощности, это увеличение давления и числа цилиндров. Потому что, теплообмен происходит через стенки и увеличение их площади находится в обратной квадратичной зависимости от увеличения объема цилиндра. То есть нагреваться будет только газ около стенок, а остальной объем работать не будет. На КПД это, в общем-то мало влияет, хотя, есть мнение, что "не нужные" адиабаты появляющиеся из-за несовершенства двигателя, уменьшают КПД и их влияние растет с ростом рабочего тела, не участвующего в работе. Так что не знаю как КПД, но мощность точно растет не пропорционально увеличению объема.

Но это все справедливо без учета принудительной конвекции. Если она создается в рабочем теле, то теплообмен происходит быстрее и полнее, а потому мощность растет пропорционально увеличению объема. То есть, двигатель объемом 5 литров с давлением 10 атм, может развивать ту же мощность, что и двигатель с объемом 0,5 литра и давлением 100 атм.

[finemechanics.livejournal.com]

Небольшая поправка. Температура пара на входе для типовых паровых турбин - около 550 градусов.

[affidavit-donda.livejournal.com]

У вас на аватаре фото секундомера или часов с хронографом?

[finemechanics.livejournal.com]

В часовых механизмах не разбираюсь, извините.

[avotara.livejournal.com]

Да это я с АЭС перепутал

И даже вспомнил как видел на ТЭЦ светящиеся трубы

[sivnvv.livejournal.com]

И еще, можно же нагревать воздух перед топкой отработавшими газами. Это в ДВС от этого не будет толка, а в двигателе внешнего сгорания будет и еще какой. Таким образом КПД горелки можно ощутимо поднять, а если еще и топливо греть (жидкое или газообразное, включая генераторный газ из твердого топлива), то вообще можно практически избежать потерь при любой температуре горячей части Стирлинга.

[Юрий Зуев (from livejournal.com)]

Простите еще одного неуча. Но для чего вы греете или охлаждаете стенки цилиндров. В двигателе стирлинга это не обязательно.

[sivnvv.livejournal.com]

Не совсем понятно о чем речь. Вы имеете ввиду греть/охлаждать рабочее тело за пределами цилиндра, например в трубках? Если именно это, то да, я в курсе, что такой способ давно используется в двигателях Стирлинга и именно его применение дает более-менее ощутимый КПД и отношение объем/мощность. Но! Этот способ имеет очевидный недостаток - даже теоретически КПД такого цикла только 60-70% от цикла Карно/Стирлинга. Потому что изотермы там заменены на изохора+адиабата. Плюс сложность изготовления - обеспечить герметичность нескольких десятков соединений при большом диапазоне температур не так просто.
Если речь о чем -то другом, то уточните, что Вы имеет ввиду.