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

[bellofuturo.livejournal.com]

Существует отечественная разработка, которая тепловую энергию от сгорания тех же самых дров использует для производства механической энергии (и далее электрической) с помощью двигателя внешнего сгорания. Тепловая мощность - до 20 кВт, электрическая - до 4 кВт. Тепловая энергия "хранится" в аккумуляторе, емкостью 100 Мдж при температуре до 330 градусов по Цельсию. КПД тепловой машины 25… 30 %.
Никаких чудо-эффектов, сказочных штук и торсионных полей - все в рамках существующей физики.
Система предназначена для круглосуточного обогрева дома, обеспечения электроэнергией и горячей водой семьи, состоящей из 3-4 человек.

[sivnvv.livejournal.com]

Ну так и где же приобретается эта "супер установка"? Есть конкретный производитель и цены или это очередная история на тему "я один знаю как это сделать, но вначале дайте денег, а потом я уже раскрою свое ноу-хау и сделаю опытный образец"? Просто не понятно, если говорите "А", то почему не говорите "Б"? Что это за "интригующее начало"?

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

Всё гуглится. Даже репортаж по телевизору показывали, про голландских фермеров, емнип. Так что - интернеты в помощь.

[sivnvv.livejournal.com]

Это очень похоже на статью "Мини -ТЭС для вашего дома. Кому это нужно…", которая размещена еще три года назад. Если это оно, то как раз из той категории, что я упоминал выше - "у меня есть ноу-хау, дайте денег будем делать, но пока нет денег, я ничего не расскажу".

В статье и комментариях автора удивляют фразы "температура рабочего тела 90-120 градусов (и это при заявляемом КПД 20%). "КПД мини ТЭС повышается за счет того, что рабочее тело цикла имеет относительно низкую температуру, что снижает теплопотери в магистралях на излучение и конвекцию" - странно но КПД тепловой машины, обычно повышается за счет высокой температуры. А тут прям подрыв фундаментальных основ термодинамики.

Если речь действительно об этом решении, то почему бы Вам не поступить как автор изобретения, которое я указывал в статье - подать заявку на патент за 800 руб. и раскрывать потом свое ноу-хау инвесторам и всему миру.

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

Говорю же: речь идёт о вполне рабочих аппаратах, для фермеров, для сжигания древесных отходов, емнип.
Мопед не мой, поэтому не вижу смысла заморачиваться с поисками ссылок. Кому интересно - сам всё найдёт.

[sivnvv.livejournal.com]

Чет непонятно - отечественная разработка, но голландские фермеры? А вообще из реальных предложений гуглятся только импортные разработки, где при таких параметрах используется ДВС, который затем греет воду. И стоит такая штука 25000 евро. Плюс ДВС штука шумная.

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

Не вижу большой разницы между отечественными и иностранными разработками. Речь то идет о принципиальной схеме.
Стандартные когенерационные установки работают на тяжелом топливе, стоят те же самые десятки тысяч долларов.
А тут - на пеллетах. Даже при сопоставимом кпд - выгода колоссальная.

[sivnvv.livejournal.com]

Колоссальная выгода была бы на древесных отходах, либо на бесплатных дровах. А пеллеты, по параметру цена/энергоэффективность дороже угля и сетевого газа и всего в два раз дешевле баллонного пропана и в полтора раза "тяжелого топлива".

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

1. Пеллеты - это и есть древесные отходы.
2. С каких пор у нас тяжёлое топливо стало дешевле балонного газа?
3. В два раза - это и есть колоссальная выгода. Или вам обязательно нужна халява?
Переделать эту штуку под дрова, или уголь - проблем нет. Просто тогда это будет не автоматическая система.
А на магистральном газе когенерацию легко можно сделать безо всяких стирлингов, только никому это не надо.

[sivnvv.livejournal.com]

1. Да, но в виде пеллет, они очень дорого стоят.
2. Тяжелое топливо - понятие слишком обобщенное. Если говорить о судовом дизельном, то там цена довольно велика, но для котла идет топочный и вот тут я сильно ошибся - его цена даже меньше чем у пеллет (8-12 руб/кг, при том, что удельная теплота сгорания в 2,5 раза выше).
3. С учетом заоблачной цены самого двигателя - в два раза, это не выгода. Тем более, что в данном случае даже нет информации о КПД этого двигателя.

Под дрова или уголь делается пиролизный котел - на угле можно неделю в него не заглядывать (пеллеты в бункер тоже надо периодически насыпать). Ну а на мазуте, так вообще полный автомат, а его цена, как я писал выше, уступает только древесным отходам (бесплатным или по цене до 2000 руб/тонна).

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

1. Дорого стоят - это не показатель. В два раза дешевле солярки - это показатель.
2. Домашние когенерационные установки можно собрать на дизеле, либо на магистральном газе. На топочном мазуте их собрать нельзя. А Стирлинг позволяет сделать когенерацию на любом топливе, вообще. Пеллеты - это лишь один из примеров.
3. Цены на двигатели - бывают очень разные, предложений много, надо сравнивать. КПД можно найти, было бы желание.

[sivnvv.livejournal.com]

Так именно о том, что из-за использования пеллет энергия получается довольно дорогая, именно при использовании стирлинга я и говорил. То есть не было сравнения с ДВС, было сравнение именно топлива для стирлинга. И получается выгоднее топочным мазутом топить этот стирлинг, чем пеллетами. Ну а лучше конечно совсем дешевыми древесными отходами (а не пеллетами, в которых цена этих отходов увеличена в несколько раз). Поэтому этот вариант двигателя (тот что продается на сайте) для людей плохо умеющих считать.

Насчет любого топлива - ну, для ДВС, тоже можно использовать большой ассортимент топлива, подвергнув его пирилизу (генераторный газ) или гниению (биогаз). И хотя первый для ДВС придется еще и фильтровать, но даже затраты на эти фильтры + ДВС + генераторный котел будут меньше, чем стоимость, имеющихся в продаже стирлингов. А биогаз, вообще почти не требует очистки для ДВС. Так что конкуренция у стирлинга в области "почти любого топлива" есть и не слабая. Поэтому, с такими ценами, они неконкурентоспособны. Поэтому множество фирм забросило их разработку. Достаточно почитать статьи 7-10 летней давности, о том как много фирм и целых концернов сейчас (в смысле тогда) специализируются на разработке стирлингов, а потом попытаться найти эти фирмы в наше время - в большинстве случаев и следов уже не найти.

А что касается разных цен - да бывают, но более менее "реальных", при которых их рентабельно использовать, не найти. Вообще такое ощущения, что все предложения существуют просто "для галочки", чтобы оправдаться перед инвесторами. Типа, мы обещали - мы сделали, но рынок к ним не готов, потому и не продаются.

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

1. Естественно, лучше всего использовать самое дешёвое топливо из доступных. В моём родном Красноярске бурый уголь стоит (за бте) - вдвое дешевле магистрального газа в европейской части. Но ведь в представленном предложении - продаётся только двигатель, а врезать его можно в любой котёл подходящий.
2. Биогаз - штука специфическая. Где его можно делать (свинофермы, свалки) - его зачастую и делают, но таких мест очень немного.
А генераторный газ - это священный грааль для всех угольщиков, но только дёшево его пока производить не умеют (нигде).
3. Если бы не покупали - двигатели Стирлинга бы не предлагали к продаже. Никак иначе из древесных отходов (в малом производстве) электроэнергию не добыть.

[sivnvv.livejournal.com]

1. Врезать хреновину весом больше центнера в любой котел - ну-ну. Я думаю там не зря еще и безумно дорогой котел параллельно продается, вот только с ним он, скорее всего и работает.

2-3. Генераторный (пиролизный газ) получается из любого сырья в небольших пиролизных котлах. Конечно для ДВС он требует очистки, но фильтры для небольших объемов тоже производятся. Хотя это и дешевле, чем существующие предложения двигателей Стирлинга, но все равно дорого, поэтому так же не востребовано. А насчет того, что покупают двигатели Стирлинга за эти деньги - спорный вопрос. Да, возможно в некоторых странах, с дорогой электроэнергией, газом, да еще и с поддержкой правительства, но это далеко не везде. Да была информация, что в Германии излишки самостоятельно произведенной электроэнергии при возврате ее в сеть выкупаются по 10 евроцентов за кВт/ч, но это еще не значит, что там именно такие установки на стирлинге выгодно использовать - там, в основном, ветряки и солнечные батареи. Поэтому, с учетом того, что Стирлинги имеющиеся в продаже, пока не могут конкурировать с другими источниками электроэнергии, говорить о том, что они активно применяются, слишком преждевременно. А насчет "не предлагали бы, если бы не покупали", я в другом ответе высказывал предположение наличия таких предложений.

[Василий Сорокин (from livejournal.com)]

Про "голландских фермеров" гуглятся только репортажи как их ферму ФСКН "накрыла". За незаконное выращивание и распространение "аграрной продукции".

Конкретно дай ссылки.

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

http://www.armasys.ru/kotelsterlinga.htm
Учись пользоваться гуглом, щегол. А то так дураком и помрёшь.

[sivnvv.livejournal.com]

Не надо подменять понятия - то что по ссылке, это и близко не "отечественная разработка, которая тепловую энергию от сгорания тех же самых дров использует для производства механической энергии (и далее электрической) с помощью двигателя внешнего сгорания. Тепловая мощность - до 20 кВт, электрическая - до 4 кВт. Тепловая энергия "хранится" в аккумуляторе, емкостью 100 Мдж при температуре до 330 градусов по Цельсию. КПД тепловой машины 25… 30 %".

Там типичный импортный двигатель Стирлинга, по запредельной цене в 16000 евро, с непонятным КПД. Таких предложений пруд-пруди. А все, что производит "отечественный производитель" для этого двигателя - это оборудование для производства пелетт, то есть топлива (кстати недешевого и на другом этот двигатель Стирлинга не работает).

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

Про отечественные разработки я не говорил, тут недопонимание случилось.
Есть конкретный двигатель Стирлинга, для автономного электроснабжения. А дешёвыми стирлинги никогда и нигде не были: это нормальная цена, стандартная.

[sivnvv.livejournal.com]

Ну так вопрос как раз в том, что тут заявлялось "Существует отечественная разработка"? И обычно, такие заявления обозначают, либо что уже давно производятся недорогие и эффективные вещи, либо речь идет о каком-то очередном стартапере, который пытается убедить всех, что если ему дадут денег, то он перевернет мир. То, что такие двигатели производятся иностранными компаниями и продаются по фантастическим ценам и так известно - новостью было бы, если бы кто-то продавал их по экономически целесообразной цене. Вот поэтому и был задан вопрос - где же эти "отечественные разработки". И ответ не получен, а вместо этого подсовываются общеизвестные вещи, да еще с обвинениями, что гуглить не умеем.

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

Вы что то перепутали:
1. Дешёвые аналоги делают в Китае, а не в России.
2. Стартапы, которые перевернут мир, делают в США, а не в России.
3. Цены не заоблачные, а вполне стандартные. Поршневые аналоги стоят ровно столько же.
Мне казалось, вы вели речь о двигателях Стирлинга, а не о состоянии отечественного производства.

[sivnvv.livejournal.com]

В России вообще мало что делают, поэтому я сразу начал с предположения, что это речь идет об очередном "ноу-хау", автор которого хочет денег, не раскрывая его сути (как правило это полный бред).

Что такое "поршневые аналоги"? Там что не поршневой двигатель Стирлинга?

Я да, о проблемах двигателя Стирлинга, а вот к чему автор комментария выдал свой "пук" об "отечественной разработке", мне было не ясно, поэтому от него запросил конкретики. А потом в этот процесс влились Вы и получилась путаница.

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

Ну да, ну да. Только людей в космос запускаем, единственные в мире, и атомные станции современные строим, единственные в мире. А так - ни бельмеса больше создать не можем. ))
Русофобские сказки плохи прежде всего тем, что выставляют вас дураком. ))
Поршневые - имелось в виду двс, на дизеле или газе.
Я думал, речь идёт о том, что двигатель Стирлинга давно и довольно широко применяется в народном хозяйстве.
Кстати, было бы желание, а реальные цифры кпд можно найти и для домашних установок на дровах, и для солнечных панелей. Это ведь реальные установки, которые зарабатывают реальные деньги.

[sivnvv.livejournal.com]

При чем тут космические корабли и русофобские сказки. Я пишу о том, что двигатели Стирлинга у нас сейчас не производят, а то что производится "у них", стоит настолько дорого, что их использование не рентабельно. Уговорить покупателя купить такой двигатель можно только "введя его в заблуждение". Например, убедив его, что эти двигатели будут работать чуть ли не вечно или подтасовав данные об эффективности и цене полученной энергии. Нет, если необходимо стабильное круглосуточное потребление полной мощности двигателя, то, по сравнению с другими автономными источниками электроэнергии может и можно получить какой-то профит через много-много лет (но это уже не для бытовых нужд). Но вот проработает ли этот двигатель столько лет? А если он протянет меньше 10 лет, то солнечные батареи обойдутся дешевле.

А насчет того, что мы ничего создавать не можем - у нас ничего не хотят производить, особенно вкладываться в новое. Это же Ваши слова, что удачные стартапы создаются не у нас.

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

1. Странная у вас логика: один двигатель работает только на солярке (к примеру), а другой - на любых отходах. Но тот, что на отходах - вдвое дороже, поэтому "никогда не окупится". Между тем, как я уже говорил, двигатели Стирлинга достаточно активно применяются в автономном электроснабжении.
А солнечные батареи или ветряки - требуют мощных аккумуляторов в комплект, что делает эл.энергию от них запредельно дорогой.
2. Стартап - это для меня слово ругательное. Удачный стартап - такой, на который удалось выбить много инвестиций. Успешный стартап - это оксюморон.
Ещё раз: говорить про страну, которая единственная в мире запускает людей в космос и создаёт современные АЭС, что "ничего не хотят производить" - значит выставлять себя дураком. То есть вы не про Россию говорите, а про себя.

[sivnvv.livejournal.com]

1. Это не моя логика, это простые расчеты экономической целесообразности - мало чтобы топливо было дешевым, необходимо еще чтобы и цена двигателя была достаточно конкурентоспособна. При чем не только цена самого двигателя, а и дальнейшее обслуживание, ремонт, замена. Ничто не вечно и двигатели Стирлинга в том числе, особенно работающие от больших температур и при больших давлениях. Поэтому его окупаемость ограничена временем и, если за это время он не окупится, то он не рентабелен - даже если он вообще работает на даровом топливе. Что же касается аккумуляторов инвертора и т.п. - генератору с двигателем Стирлинга вся эта приблуда тоже нужна, да не так много как солнечным, но нужны. За долю секунды отреагировать на изменение нагрузки он не сможет. И входит ли в комплект за 15 тыс евро весь этот обвес, непонятно. И насчет того, что он сможет работать от любого другого топлива тоже неясно - как я понял к нему еще и котел продается за 16000 евро и будет ли он с другим работать непонятно.

Насчет активного применения - спорный вопрос, все что попадается в сети, это единичные случаи, которые больше похожи на рекламный ход какой-нибудь компании или энтузиазм отдельных потребителей, чем на экономически целесообразное применение. А большая часть информации о масштабном применении, это какие-то проекты, которые со временем исчезают. Например солнечная электростанция на 160 км3 в штатах, которую лет 10 назад грозились построить полностью забыта, и максимум, что строится более-менее масштабное, это паровые солнечные электростанции мегаватт на 300-400.

2. У нас реально, за последние 20 лет были налажены какие-нибудь крупные производственные комплексы (не считая инвестируемых иностранными компаниями - это, по сути, их филиалы) ? У нас развивается только добывающая и перерабатывающая промышленность и еще энергетическая (да и та в основном на старой базе), а производство готовой продукции постоянно падает. Это, в общем-то, общеизвестная информация. У нас 15 лет постоянно чиновники заявляют о необходимости развития производства, науки, технологий, на это выделяются деньги и исчезают. Я люблю свою страну (те кто не любит ее покинули), но это не значит, что должен на каждом углу бить себя в грудь выкрикивая патриотичные лозунги и собирать по крупицам все достижения, а на проблемы закрывать глаза.