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

[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.

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

Ваши представления о генератором газе слишком абстрактны.
Проблема не только в примесях, но и в водяном паре, и главное - в балластном азоте.
Для отопления - это не создаёт никаких проблем.
Но в двс это всё сжигать - совершенно невозможно.
Я достаточно внимательно слежу за газогегераторными проектами. И реализации в автономном жилье с электрогенерацией - пока не встречал. Потому что если бы это было возможно (задёшево) - все бы на такое перешли.

[sivnvv.livejournal.com]

Чисто теоретически, выдержка из той же вики, которую можно подтвердить другими источниками - "Калорийность полученного газа достаточно низкая вследствие разбавления его азотом. Но поскольку для его сгорания требуется значительно меньше воздуха, чем для сгорания углеводородов, то калорийность рабочей смеси (газ + воздух) лишь незначительно ниже чем у традиционных топливовоздушных смесей."

И я не говорю, что это дешево, я говорю что это не так фантастически дорого, как имеющиеся в продаже стирлинги. Но в отличии от стирлингов, для производства которых находят инвесторов обещая "упростить разработку", "улучшить характеристики" и т.п., в таких вариантах все намного прозрачнее - технологии уже отработаны и обещать каких-то чудес довольно сложно. Поэтому готовых бытовых решений и не найти. Обычно это действия энтузиастов, запускающих стандартные газовые бытовые электростанции (и они работают), на пиролизном неочищенном газе из самодельных установок. Естественно ресурс двигателя снижается в десятки раз, а очистка газа до приемлемых показателей довольно дорога.

В итоге, это так же не рентабельно, как и существующие стирлинги, хотя, возможно, и дешевле. Но вопрос то стоял так, что только стирлинги могут работать на любом топливе.

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

Но ведь это действительно так: Стирлинг может работать и на дровах, и на мазуте, и на магистральном газе. Достаточно поставить нужный котёл, а сам двигатель никак не меняется.
Для газогегераторных двигателей нужен уголь определённой марки, или дрова определённой конфигурации (форма и влажность), плюс газ получившийся надо чистить.
Стирлинг и газогенератор были изобретены давным-давно, больше 100 лет назад. Однако Стрилинги применяются достаточно широко, в специальных условиях (те же подлодки в Швеции), а газогенераторы - всё ещё на стадии экспериментального внедрения, хотя денег на исследования не жалеют (Китай вообще рассматривает это как магистральный путь).
Технологии развиваются. Газогенераторы, на мой взгляд - это будущее. Но и Стрилинги - будущее, всё таки добиться в компактом корпусе кпд больше 70% - другими способами невозможно.

[sivnvv.livejournal.com]

Насчет дров определенной формы для генераторного газа - это что-то новое. Влажность да, но можно ведь дать им просохнуть. А форма - хоть опилки или хворост. Что касается очистки, это в бытовых условиях дорого и, хоть и не дороже стирлингов, но ни то, ни другое реально нет смысла использовать.

А насчет экспериментального внедрения - ну не знаю, бытовых нет, но промышленные, от 50 кВт, как электрогенераторы именно для генераторного газа, так в комплексе с газогенераторами, а также отдельно газогенераторы, в продаже имеются в ассортименте.

Насчет стирлинги применяются широко - да вот кроме "тех же подлодок в Швеции", о широком применении особой информации нет. Все больше о перспективах.

Ну а насчет компактного корпуса и КПД больше 70%, если гнаться за этими показателями Стирлинги так и останутся в будущем, пока совсем не будут забыты. Каждый раз волна разработок таких продуктов заканчивается - "ну пока нет таких материалов и технологий, но вот в будущем". Так можно про любые "преобразователи энергии" сказать. Причем там сдвиги гораздо ощутимее - солнечные батареи постоянно улучшают показатели, аккумуляторы увеличивают плотность запасенного тока и т.п.

На мой взгляд, уже сейчас можно развивать стирлинги там, где они могут быть конкурентоспособны - солнечная энергетика. Но не гнаться за большим КПД, а сосредоточиться на снижении себестоимости. Уже с КПД 25% стирлинги оставляют полупроводники далеко позади по эффективности. А возможность небольших мощностей, в отличии от паровых турбин, позволяет занять нишу именно в автономном энергоснабжении. Их ремонтопригодность, в отличии от солнечных батарей, позволяет говорить о большем ресурсе. Вот если бы сосредоточились на удешевлении (меньше температуры, меньше давления), то может стирлинги смогли бы выйти на большой рынок. А там уже можно заняться улучшением их характеристик - будет сбыт, будет интерес.

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

1. Про газогенераторы от 50 кв - можно ссылку? Первый раз слышу такое. Я в открытой продаже видел китайские предложения от 500 (емнип).
2. Так ведь было дело. В испанском проекте солнечной электростанции Стирлинг давал КПД 35%, и по цене за установленный кВт - был сопоставим с нынешними американскими мега-проектами. Дело было 10 лет назад.
Кажется мне, дело тут совсем не в экономической целесообразности, и даже не в материалах, а просто в инертности мышления бизнеса.

[sivnvv.livejournal.com]

1. Вот первое попавшееся - http://kibor.ru/biopower.
2. Было дел и о 41% писали, но, при этом не было коммерческих предложений и когда эти компании пытали на тему сколько стоит установка, какие остальные характеристики - ресурс гарантия, обслуживание, они в ответ мялись, что типа это годится для очень особых ситуаций, а если и называли в итоге цену, то она была свыше полумиллиона баксов, за 3-4 кВт установку. Именно на основании таких вбросов, я и говорю, что все итоговые разработки похожи на рекламный ход известных компаний, либо на способ отчитаться перед инвесторами. А интерес и спрос на двигатели Стирлинга есть и, если бы их кто-нибудь производил по приемлемой цене, то никакая бы "инертность мышления" не помешала их распространению. Их первоочередной реальный сектор продаж, это автономные системы энергоснабжения при отсутствии центрального снабжения. Но для этого они должны быть конкурентоспособны по отношению к другим вариантам. Будут реальные цены, будут продажи. Будут продажи, будет возможность дальнейшего развития. Если этого в ближайшее время не произойдет, то Стирлинги могут так навсегда и остаться интересной игрушкой.

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

1. Спасибо за наводку, учту.
2. Паровой двигатель со времён античности тоже считался бесполезной игрушкой. Потом ничего, разобрались.
Если можно сделать рабочую установку на синтез-газе, то в Стирлингах и правда нет резона. Потому как установку на 3-4 кат проще собрать на газнольдере.
Ну и ладно. Найдут для них другое применение. Особенно если кпд будет высокий.

[sivnvv.livejournal.com]

Если КПД будет высокий, хотя бы 30% для бытовых, то Стирлинг и с работающими на генераторными газе сможет конкурировать. А сейчас он бы уже не плохо мог бы конкурировать с солнечными батареями (КПД больше в 2+ раза, ремонтопригодность, что увеличивает ресурс). Но цена существующих разработок никак не способствует конкуренции, а жаль. Тем более, что эта цена непонятно чем обоснована.

[nicholaes.livejournal.com]

Солнечные на монокристаллическом кремнии уже взяли порог 20%. На арсениде галлия еще 3-5% плюсом, но дорого.

[sivnvv.livejournal.com]

Даже если КПД у доступных СБ будет более 40%, то "стирлинг", даже при в двое большей цене за кВт мощности, будет выгоднее. Так как запасать тепло гораздо дешевле, чем электричество в аккумуляторах. Плюс к этому, стирлинг универсален - при отсутствии солнечного света он может работать на любом источнике тепла, в том числе на "быстровозобновляемых", а не на ископаемых углеводородах, то есть, по сути, на той же солнечной энергии, но не прямого преобразования.

[nicholaes.livejournal.com]

Видите, в чем дело... Модель применения, в которой КПД некритичен, как правило, основным требованием предполагает минимальную, в пределе нулевую, необходимость обслуживания. Да, КПД стирлинга выше, чем КПД прямого термоэлектрического преобразования, но во всех РИТЭГах использовалось и используется именно оно. Даже в наземных. Ибо "необслуживаемость" и "подвижные части" - плохо согласующиеся понятия. Отчасти поэтому на рынке достаточно "буржуек", вырабатывающих "попутную" электроэнергию прямым термоэлектрическим преобразованием, но Вы не найдете ни одного подобного решения на стирлинге. Другое дело, задачи, в которых на выходе нужна механическая энергия, а не электрическая. Тут уж от движущихся частей и обслуживания деваться некуда. Скажем, качать нефть стирлингом, работающим от сжигания неочищенного попутного газа, может быть и интересно...

[sivnvv.livejournal.com]

Вообще не понял к чему это Вы. При чем тут РИТЕГ, прямое термоэлектрическое преобразование и при чем тут "КПД не критичен"? Выше речь шла как раз о критичности КПД и использовании "стирлинга" совсем не для попутной электроэнергии, а как конкурента солнечным батареям.

И по поводу "Вы не найдете ни одного подобного решения на стирлинге" (котел с генератором) - специально заглянул в гугл, там несколько производителей. Так что найти можно.

[nicholaes.livejournal.com]

Строго говоря, электричество, получаемое из солнечной энергии, тоже является попутным. Ибо основная функция Солнца - другая.

Солнечное электричество в любом случае очень дорого, даже если довести КПД преобразования до 100%. Отводить огромные площади под батареи, или строить большие и дорогие зеркала экономически не оправданно. А вот халявную площадь крыши собственного домика покрыть солнечными батареями может быть и осмысленно. И вот только в этом контексте, контексте малых вспомогательных источников энергии, не подключаемых к единой энергосети, я и вижу смысл говорить о к-л "альтернативной" энергетике. Поинтересуйтесь судьбой малых ГЭС по России. В 90-ые они все под нож пошли, и никто восстанавливать не рвется. Казалось бы, речка/ручеек на халяву течет, что ж энергию не взять-то? Да только стоимость распределительных сетей и оборудования оказывается такова, что дешевле срезать турбину и забросить объект, изредка мониторя состояние плотины (в том случае, если она может угрожать затоплением чему-то важному).

Ну а если мы говорим о малых вспомогательных истрчниках, то к ним главное требование - "поставил и забыл". Солнечные батареи на собственной крыше пару раз в год помыть, и достаточно. С механикой так не получится. То же и с "попутным" стирлингом в отоплении: в гугле Вы может и нашли пару-тройку лавок, да. Только вот "попутного" пельтье в гугле выискивать не надо, в магазине лежит...

[sivnvv.livejournal.com]

"Попутный" пельтье это игрушка - мощность очень мала. Что же касается "поставил и забыл" в отношении СБ, то это не соответствует действительности. Наиболее практичные с точки зрения ресурс/стоимость панцирные АКБ требуют постоянного обслуживания, либо часто меняете необслуживаемые АКБ. Из-за нестабильности источника (солнечной погоды) бывают длительные провалы в энергоснабжении и никто не ставит АКБ на несколько десятков кВт*ч, так как это требует очень больших начальных вложений, а поэтому в системе используется и бензо- газовый генератор, ресурс которого очень мал (замена и требуется постоянная замена, плюс заправка. Дешевая китайская электроника (инвертор, контроллер) далеко не вечна и выход из строя через 5 лет достаточно распространенное явление. А вот двигатели Стирлинга это не автомобильные ДВС, их ресурс весьма велик (>50000 часов) , так как там требуется более точная подгонка деталей, практически не расходуется смазка и промежутки между ТО тоже весьма большие, часто более 10000 часов - учитывая, что в периоды самого низкого энергопотребления (это около 12 часов в сутки) выгоднее не гонять стирлинг, а питаться от АКБ (ресурса которых в таком режиме на долго хватает), то эти 10000 часов это почти 3 года.