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

[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.

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

1. "Простые расчёты целесообразности" надо бы подтвердить реальными цифрами. А как вы это сделаете, если даже кпд не знаете? Так что это разговор ни о чём.
2. Я привёл вам два простых примера высокотехнологичного производства. Мог бы привести и ещё сотню (см. Сделаноунас и "справочник патриота"), но зачем, если вы не слышите элементарного, и отвергаете самоочевидное?
Ещё раз: хотите в глазах окружающих выглядеть дурачком - продолжайте транслировать своё "ничего не умеем делать".

[sivnvv.livejournal.com]

1. Да пожалуйста. КПД я точно не знаю, но раз им не хвалятся, то он явно не больше 20%. Посчитаем для бытового использования.
Типичный вариант - электроснабжение семьи из 4-х человек. Пусть в сельской местности, это будет еще и водяной насос и периодически используемая мелкая не бытовая электротехника (болгарка, крупорушка и т.п.). Получим среднегодовое потребление на уровне 500 кВт*ч/мес, в год 6000 кВт*ч. Если ограничиться пиковой нагрузкой 3 кВт, то можно обойтись этим стирлингом при минимуме аккумуляторов, то есть пусть его цена будет 15 + 16 за их котел под пеллеты, итого 31000 евро ~ 2 350 000 руб.

При самой низкой цене на пеллеты в 5500 за тонну и их теплотой сгорания 17 Мдж/кг (вранье для дешевых, но пусть) и КПД 20%, получиться примерно 1 кг пеллет на 1 кВт*ч электроэнергии. На год понадобиться 6 тонн пеллет стоимостью 33000 руб. Ресурс более 10 лет для горячих двигателей Стирлинга, это пока из области фантастики, так что ограничимся этим сроком окупаемости - итого затраты на этот срок 33000*10+2350000=2 680 000 руб. При этом не учитываем, что на зиму пеллет уйдет больше

Теперь, для примера газовый генератор 3 кВт на пропане 50 000 руб, плюс, для отопления, котел пиролизный за 40 000 руб. будем раз в неделю углем засыпать (не будем даже заморачиваться на смешанное отопление и излишки тепла газа отправим в воздух).
По паспорту, у таких генераторов расход пропана на 1 кВт*ч около 0,35 кг пропана, итого на год нам нужно 2000 кг пропана, стоимость 60 000 руб (в литре 0,5 кг, литр 15 руб.), на десять лет 600 000 руб.
Плюс уголь на отопление, зависит от местонахождения, но в среднем, на дом 100 м3 не более 3 тонн антрацита по 8000 руб/тонна за сезон итого в год максимум 25 000 руб, за 10 лет 250 000 руб.

В результате на 10 лет 50+40+600+250=840 тыс. рублей на плохо оптимизированное энергоснабжение вместо 2 680 тыс. руб. на предлагаемом стирлинге. Даже если мы как-то обойдемся без предлагаемого котла и исхитримся заменить на гораздо более дешевый все равно будет не менее полутора миллионов. При этом совсем не известно, проработает ли этот стирлинг неизвестного "итальянского производителя" хотя бы лет пять.


2. Еще раз повторяю, я не говорю, что мы не умеем ничего делать - я говорю о том, что у нас плохо развито производство конечных потребительских продуктов, особенно технологичных. И при этом я не считаю, что это наша вина, как народа, это вина руководства нашей страны, поэтому я не считаю что "выгляжу дураком" и других соотечественников такими выставляю.

[dmitriy crane (from livejournal.com)]

1. Соотношение цифр понятное. Но вы сравниваете первый попавшийся Стирлинг и самый дешёвый газовый генератор. Плюс кпд берете с потолка. Плюс - с одной стороны система полностью автоматическая, с другой - нет.
Семью из 4 человек проще всего обеспечивать газом из газгольдера, и не заворачиваться с многоуровневыми системами.
А вот на деревообрабатывающем производстве, к примеру, Стирлинг может быть без альтернативным вариантом.
2. Конечные потребительские продукты - это всё, что вы покупаете в магазине. Вроде бы не исключительно импорт там, а даже наоборот.
Ваши суждения - исключительно оценочные, чересчур категоричные, и не вполне адекватные. Если говорить о тех проблемах, которые следует преодолевать, то "неумение производить потребпродукты" - явно к ним не относится.
Проблемы с металлообрабптывающими станками - есть. С крс - есть. С орошаемой и осушаемой пашней - есть. А "недостаток товаров потребления" - это русофобская болтовня.

[sivnvv.livejournal.com]

1. Я сравниваю не первый попавшийся, а самый дешевое из тех предложений, что находятся в сети - у остальных цены вообще начинаются с 10000 евро за киловатт мощности. При этом я не зря обращаю внимание на то, что речь идет о какой-то неизвестной компании-производителе. А если я возьму не самый дешевый газовый генератор, то это не сильно увеличит общую сумму. И насчет автоматической системы - генератор автоматический, а если речь о котле, то даже если мы заменим твердотопливный котел на газовый и будем топить тем же пропаном, не используя тепло от генератора, то пропана нам понадобиться в год в пределах двух тонн, стоимостью 60 000 руб., за десять лет 600 000, то есть на 350 000 больше. Это все равно не спасает ситуацию, тем более, что там тоже не совсем автоматическая система - пеллеты в бункер надо периодически насыпать. Поэтому не такой уж и большой автоматизм , по сравнению с "закинуть уголь раз в неделю".

Ну а насчет КПД с потолка - двигатели Стирлинга с КПД выше 20% это единичные рекламные вещи. Те, что попадаются в продаже, имеют КПД меньше 20% (обычно около 15%). Так что уверен, что если я ошибся с КПД, то в большую сторону. То же касается и ресурса. Причем тут даже не важно какой у него реально будет ресурс - тут важно, что нет информации от других потребителей о ресурсе этого двигателя. Компании, торгующие стирлингами существуют обычно не более пяти лет, а потом исчезают, поэтому получить объективную оценку живучести двигателя конкретного производителя не представляется возможным. То есть получается такой охренительно дорогой "кот в мешке".

И поймите, я ничего не имею против распространения стирлингов - я как раз за. Я против утверждения, что сейчас действительно есть реальные (по рентабельности) предложения стирлингов. Как я писал в статье, ощущение, что разработчики пошли не в том направлении. Высокие давления, альфа-стирлинг с горячим поршнем - это все очень дорого.

2. Мне уже надоело на эту тему писать, здесь не политические дебаты - конкретно, подвергался сомнению факт наличия в продаже стирлинга отечественного производства. Он есть? Автор поста так и не "ткнул носом" в ссылку.