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]

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.

[nicholaes.livejournal.com]

В равных условиях со стирлинга снимают раза в два больше, чем с пельтье. Знаю мебельное производство, в котором цех отапливают опилками, и до 50% потребного электричества берут с пельтье. Со стирлинга взяли бы все необходимое, да. Только с механикой никто связываться не захочет. Даже с пельтье в их условиях возникают проблемы, т.к. для обеспечения эффективности использован принудительный обдув холодной стороны, а подшипники вентиляторов, увы, не вечные.

В общем, если речь идет о промышленном производстве энергии, о больших мощностях, то проверенная веками паровая турбина не спешит сдавать позиции. Стирлинг на мегаватты представляю с трудом. Если речь о небольших автономных системах, без интеграции в единую энергосистему (т.е. без синхронизации генераторов и пр.), то да, для стирлинга может найтись узкая ниша, в которой его применение будет оправданно. Но он не конкурирует при этом ни с пельтье, ни с солнечными батареями. У них просто разные области применения, из-за малой удельной мощности стирлинга. Ни одна ДРГ, и ни один турист не потащит с собой стирлинга, чтобы аккумуляторы раций/навигаторов/фотоаппаратов от костра заряжать. Пельтье - таскают, солнечные - тоже. Для стирлинга остается ниша между десятком-другим киловатт (тут еще пельтье м.б. целесообразнее) и промышленными мощностями.

[sivnvv.livejournal.com]

Десяток-другой киловатт это уже область газопоршневых установок - они дешевле, их КПД для такой мощности превышает 30% и будет даже выгоднее заморочиться с очисткой пиролизного газа, чем ставить стирлинг, а тем более солнечные батареи для такой мощности. А вот мощность 1-5 кВт, это как раз та область, где стирлинг может конкурировать с существующими решениями, в том числе и с СБ. То есть автономное энергообеспечение частного дома. Правда, при условии адекватной цены, а сейчас она завышена как минимум вдвое, ввиду полукустарного производства. И о таком использовании и речь и это очень значительная ниша. А при чем тут переносимые устройства? В них, понятное дело, СБ или пельтье будут практичнее, там КПД и на десятом месте в списке качеств устройства находится.

А по поводу пельтье - я фиг его знаю что же там за котел такой на мебельном производстве и сколько они потратили на пельтье. Потому как это очень дорого для сколько-нибудь значительной мощности и окупаемость там будет более полувека (а их ресурс, думаю, еще меньше чем у СБ), дешевле бы было даже в спирт опилки перегонять и им питать ДВС генератора (ну, если конечно это производство потребляло хотя бы 50 кВт*ч в сутки).

[nicholaes.livejournal.com]

Вот Вы и ответили на вопрос со стирлингом. 1-5 кВт. А ДВС в разных его инкарнациях сравнительно легко "масштабируется" в диапазоне от авиамодельного движка до судовой ГЭУ. Посему неудивительно, что все изыскания пошли в эту сторону, и о стирлинге в изрядной мере позабыли. Разумеется, есть условия, в которых его применение целесообразно, но это, как в старом анекдоте, "а вы на шкаф, на шкаф залезьте!"

[sivnvv.livejournal.com]

Стирлинг масштабируется не хуже ДВС - Филлипс без проблем создавали 180 киловаттные стирлинги. ДВС их победили по простой причине - те материалы и технологии, которые были доступны на момент "расцвета" ДВС не позволяли делать стирлинги компактными, да и сейчас, самые лучшие разработки проигрывают ДВС в удельной мощности на вес/объем. Ну и в теории, с существующими материалами, перспективы роста КПД у ДВС выше - там одни и те же законы термодинамики работают, а потому чем выше температура нагревателя, тем выше КПД. А так как у ДВС температура нагрева рабочей среды выше и ее нагрев производится непосредственно, а не через стенки, которые у ДВС можно охлаждать, а у стирлинга нужно нагревать, то требования к термостойкости цилиндра и поршня гораздо ниже.

Привлекательность стирлинга в другом - всеядность по топливу, в том числе нагрев излучением. Что же касается "Вот Вы и ответили на вопрос со стирлингом" - так я на этот вопрос еще в статье ответил. Я как раз писал о том, что соревнования с ДВС в той отрасли где они наиболее востребованы (например, транспорт) это, на мой взгляд, неверный путь. А именно на нем сосредотачивались серьезные разработчики типа той же Филлипс. И рассуждал о том, что стирлинг бы мог быть гораздо конкурентноспособнее в автономном энергоснабжении отдельных домов, по сравнению с существующими решениями, при условии, что вместо борьбы за удельную мощность, сосредоточится на удешевлении производства, пусть даже с некоторым ущербом для КПД. И повторюсь - это весьма большая область применения. Ну и еще я обращал внимание на то, что путь повышения КПД за счет повышения температуры, который существенно увеличивает стоимость материалов, не единственный, так как существующие стирлинги работают по циклу, далекому от цикла Стирлинга. И если работать над приближением к этому циклу, то тот КПД, который сейчас получают на температуре в 800-850 С (около 40-45%, в самых хороших моделях), можно было бы получить при температурах 600-700 С, а это гораздо более дешевые материалы.

Так что мне все больше не ясно - а Вы сами понимаете, о чем Вы вообще со мной спорите на протяжении нескольких комментариев? Я всю дорогу говорю о возможной конкуренции стирлингов с солнечными электростанциями на СБ для автономного энергоснабжения частных домов, то есть на мощностях 2-5 кВт, а Вы то о РИТЭГ, то о переносных источниках на десяток ватт мощности, то о "попутном" (мизерном, по сравнению. с теплом) электричестве на пельтье.

[nicholaes.livejournal.com]

Да я, строго говоря, и не спорю. Это скорее размышления вслух. Просто возникла практическая задача, в которой как раз просится стирлинг; вот и пытаюсь себя от этой мысли отговорить. А не кидаться бездумно в разработку стирлинга.

То, что стирлинг масштабируется, не отрицаю. Но есть лишь небольшой диапазон мощностей и прочих условий, в которых его применение целесообразно.