![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
sivnvv.livejournal.com posting in ![[community profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/community.png){kind=small}
engineering_ru Не так давно я уже поднимал тему двигателей Стирлинга, в связи с появлением новой идеи в этой области (использования принудительной конвекции, предложенной автором идеи - http://zayvka2016131416.blogspot.ru/). Но, разбираясь дальше в конструкторских решениях, появившихся со времен создания первого двигателя Стирлинга, я заметил, что все «перспективные» разработки в этой области базируются на идее применения трубчатых теплообменников, расположенных за пределами цилиндра, предложенной фирмой Филлипс более 50 лет назад.
При описании двигателя Филлипс мало кто затрудняет себя анализом процессов происходящих в нем. А ведь эти процессы имеют мало общего с циклом Стирлинга. И даже идеальный КПД такого двигателя почти в 1,5 раза ниже идеального КПД цикла Стирлинга! Вот отсюда и берутся ложные утверждения, которые порой встречаются, что КПД цикла Стирлинга 60-70 % от цикла Карно. Нет! КПД цикла Стирлинга равен КПД цикла Карно и является максимальнымдля каждой определенной температуры нагревателя и холодильника. А 60-70% «от Карно», это КПД двигателей с трубчатыми нагревателями.
Разумеется, инженеры Филлипс, на тот момент смогли совершить прорыв. Ведь теперь весь газ контактировал со стенками трубок, проходя по ним, а не малая его часть у стенок цилиндра, при нагреве в цилиндре. Как любят писать в статьях о «стирлингах», это «в первых же экспериментальных образцах позволило достигнуть КПД 39%». Но дело в том, что большего КПД так и не удалось достичь. Более того, самый высокий КПД двигателей Стирлинга, выпускаемых сейчас – 31% (модель V4-90 на солнечных электростанциях компании United Sun Systems). И это, при температуре нагревателя 800 С, при которой КПД цикла Стирлинга более 70%.
Так чем же процессы, происходящие в двигателе с трубчатыми нагревателями, отличаются от цикла Стирлинга? Предлагаю еще раз вспомнить процессы в цикле Стирлинга:
1. Газ нагревается от регенератора при постоянном объеме, когда перемещается от холодильника к нагревателю. При этом в нем повышается давление пропорционально увеличению температуры.
2. Газ расширяется, падает давление, а постоянно подводимое тепло препятствует быстрому падению давления. Это изотермическое расширение, когда температура поддерживается постоянной, а объем растет и давление падает. В отличии от адиабатного расширения (без теплообмена со средой), при котором падает и температура, при изотермическом расширении выполняется наибольшая работа газа.
3. Газ охлаждается при постоянном объеме, отдавая энергию регенератору. Уменьшается давление.
4. Газ сжимается поршнем и одновременно охлаждается – изотермическое сжатие, при котором работа над газом выполняется минимальная. В отличии от адиабатного, при котором увеличивается температура, что требует большей работы сжатия, так как приходится противодействовать росту давления вызванному повышением температуры.
А теперь о том, что происходит при применении трубчатых нагревателей.
Для простоты возьмем вариант с нагревателем определенной температуры (например, жидкость от теплового коллектора солнечной электростанции) и с объемом нагревательных трубок гораздо меньше объема цилиндра:
1. Газ нагревается в регенераторе до температуры нагревателя и повышается давление.
2. Газ проходит через трубки теплообменника не нагреваясь в них, так как он уже имеет температуру нагревателя.
3. Газ расширяется адиабатно и охлаждается в процессе расширения. При этом, как я уже писал выше, выполняется меньшая работа, чем при изотермическом расширении.
4. Газ вытесняется в холодную часть цилиндра, вначале нагреваясь в теплообменнике, затем охлаждаясь в регенераторе. В трубках холодильника теплообмен не происходит.
5. Газ сжимается адиабатно, нагреваясь из-за сжатия. Затрачивается большая работа на сжатие, чем при изотермическом процессе.
6. Газ вытесняется в горячую область, охлаждаясь в холодильнике перед нагревом в регенераторе.
Получается, что изотермы цикла заменены на адиабату+изохору. В результате, газ выполняет меньшую работу при расширении и требуется больше работы на его сжатие. В итоге КПД (который и есть отношение затраченной работы к выполненной) гораздо меньше цикла Стирлинга – если в численном выражении, то почти в 1,5 раза. Например, при температуре горячей области 600 С, а холодной 20 С, идеальный КПД цикла Стирлинга – 66%, а идеальный КПД такого двигателя 42%.
Если температура источника тепла выше рабочей температуры двигателя (пламя), то процессы идут несколько сложнее, но результат тот же.
Если объем трубок теплообменников сравним или больше объема цилиндра, то процесс частично перейдет в изотермы (в трубках в изотермы, в цилиндре адиабаты), но вырастет «мертвый объем», который всегда является помехой КПД. И хотя иногда это может увеличить КПД по сравнению с «малообъемным» теплообменником, но всего лишь на пару процентов.
Вот и получилось, что совершив некоторый прорыв в «стирлингостроении», фирма Филлипс направила всех по тупиковому пути развития этих двигателей. А если говорить точнее, то произошла подмена понятий и «стирлингами» стали называть двигатели, имеющие к ним весьма отдаленное отношение. Но при этом, все привыкли приписывать недостатки данного решения самим двигателям Стирлинга.
Но, с другой стороны, складывается весьма интересная ситуация – сейчас у «доморощенного Кулибина» имеется шанс прославиться созданием, почти в гаражных условиях, двигателя имеющего КПД выше промышленных образцов. Разумеется при правильном подходе к качеству изготовления и учитывая все наработки и идеи, имеющиеся в этой области в данный момент. В первую очередь отказ от нагрева/охлаждения за пределами цилиндра и создание принудительной конвекции внутри областей нагрева и охлаждения – только в этом случае можно достичь именно изотермического расширения/сжатия, так как обеспечивается равномерный теплообмен во всем объеме газа при его сжатии/расширении.
При описании двигателя Филлипс мало кто затрудняет себя анализом процессов происходящих в нем. А ведь эти процессы имеют мало общего с циклом Стирлинга. И даже идеальный КПД такого двигателя почти в 1,5 раза ниже идеального КПД цикла Стирлинга! Вот отсюда и берутся ложные утверждения, которые порой встречаются, что КПД цикла Стирлинга 60-70 % от цикла Карно. Нет! КПД цикла Стирлинга равен КПД цикла Карно и является максимальнымдля каждой определенной температуры нагревателя и холодильника. А 60-70% «от Карно», это КПД двигателей с трубчатыми нагревателями.
Разумеется, инженеры Филлипс, на тот момент смогли совершить прорыв. Ведь теперь весь газ контактировал со стенками трубок, проходя по ним, а не малая его часть у стенок цилиндра, при нагреве в цилиндре. Как любят писать в статьях о «стирлингах», это «в первых же экспериментальных образцах позволило достигнуть КПД 39%». Но дело в том, что большего КПД так и не удалось достичь. Более того, самый высокий КПД двигателей Стирлинга, выпускаемых сейчас – 31% (модель V4-90 на солнечных электростанциях компании United Sun Systems). И это, при температуре нагревателя 800 С, при которой КПД цикла Стирлинга более 70%.
Так чем же процессы, происходящие в двигателе с трубчатыми нагревателями, отличаются от цикла Стирлинга? Предлагаю еще раз вспомнить процессы в цикле Стирлинга:
1. Газ нагревается от регенератора при постоянном объеме, когда перемещается от холодильника к нагревателю. При этом в нем повышается давление пропорционально увеличению температуры.
2. Газ расширяется, падает давление, а постоянно подводимое тепло препятствует быстрому падению давления. Это изотермическое расширение, когда температура поддерживается постоянной, а объем растет и давление падает. В отличии от адиабатного расширения (без теплообмена со средой), при котором падает и температура, при изотермическом расширении выполняется наибольшая работа газа.
3. Газ охлаждается при постоянном объеме, отдавая энергию регенератору. Уменьшается давление.
4. Газ сжимается поршнем и одновременно охлаждается – изотермическое сжатие, при котором работа над газом выполняется минимальная. В отличии от адиабатного, при котором увеличивается температура, что требует большей работы сжатия, так как приходится противодействовать росту давления вызванному повышением температуры.
А теперь о том, что происходит при применении трубчатых нагревателей.
Для простоты возьмем вариант с нагревателем определенной температуры (например, жидкость от теплового коллектора солнечной электростанции) и с объемом нагревательных трубок гораздо меньше объема цилиндра:
1. Газ нагревается в регенераторе до температуры нагревателя и повышается давление.
2. Газ проходит через трубки теплообменника не нагреваясь в них, так как он уже имеет температуру нагревателя.
3. Газ расширяется адиабатно и охлаждается в процессе расширения. При этом, как я уже писал выше, выполняется меньшая работа, чем при изотермическом расширении.
4. Газ вытесняется в холодную часть цилиндра, вначале нагреваясь в теплообменнике, затем охлаждаясь в регенераторе. В трубках холодильника теплообмен не происходит.
5. Газ сжимается адиабатно, нагреваясь из-за сжатия. Затрачивается большая работа на сжатие, чем при изотермическом процессе.
6. Газ вытесняется в горячую область, охлаждаясь в холодильнике перед нагревом в регенераторе.
Получается, что изотермы цикла заменены на адиабату+изохору. В результате, газ выполняет меньшую работу при расширении и требуется больше работы на его сжатие. В итоге КПД (который и есть отношение затраченной работы к выполненной) гораздо меньше цикла Стирлинга – если в численном выражении, то почти в 1,5 раза. Например, при температуре горячей области 600 С, а холодной 20 С, идеальный КПД цикла Стирлинга – 66%, а идеальный КПД такого двигателя 42%.
Если температура источника тепла выше рабочей температуры двигателя (пламя), то процессы идут несколько сложнее, но результат тот же.
Если объем трубок теплообменников сравним или больше объема цилиндра, то процесс частично перейдет в изотермы (в трубках в изотермы, в цилиндре адиабаты), но вырастет «мертвый объем», который всегда является помехой КПД. И хотя иногда это может увеличить КПД по сравнению с «малообъемным» теплообменником, но всего лишь на пару процентов.
Вот и получилось, что совершив некоторый прорыв в «стирлингостроении», фирма Филлипс направила всех по тупиковому пути развития этих двигателей. А если говорить точнее, то произошла подмена понятий и «стирлингами» стали называть двигатели, имеющие к ним весьма отдаленное отношение. Но при этом, все привыкли приписывать недостатки данного решения самим двигателям Стирлинга.
Но, с другой стороны, складывается весьма интересная ситуация – сейчас у «доморощенного Кулибина» имеется шанс прославиться созданием, почти в гаражных условиях, двигателя имеющего КПД выше промышленных образцов. Разумеется при правильном подходе к качеству изготовления и учитывая все наработки и идеи, имеющиеся в этой области в данный момент. В первую очередь отказ от нагрева/охлаждения за пределами цилиндра и создание принудительной конвекции внутри областей нагрева и охлаждения – только в этом случае можно достичь именно изотермического расширения/сжатия, так как обеспечивается равномерный теплообмен во всем объеме газа при его сжатии/расширении.
![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
no subject
Date: 2016-09-05 11:41 am (UTC)Зарабатывают как могут,у многих недобизнесменов своё виденье того что и как производить и продавать а потребности и пожелания клиентов их не интересуют,часто сталкиваюсь.
А есть сам буклет/ссыль,чтоб знать кто такие,вдруг пригодится?
"то этим Qnergy занимается - 3,5-7 кВт, КПД 20%".
На сайте написано что когенераторный да ещё и многотопливный,ещё и необслуживаемый и неразборный.
Это не сам Стирлинг а какая-то комбинация,слишком много деталей получается а значит и низкая надёжность.
Это хрень,альтернативка и любое правильное развитие идёт по пути упрощения а не усложнения,такие как эти Qnergy обычные идиоты тратящие время на гиперболоиды.
Сложность их генератора выше паровой турбины получается,нафиг он нужен тогда?
Я просто второй год изучаю технологии подходящие под автономное обеспечение.
При этом по принципу дешевизны,надёжности и простоты.
Назвал я этот "проект" просто-"Институт проблем первобытно-общинного строя":))
Развал и некомпетентность нынешней российской науки заствляет,пока эти уроды думают как управлять вселенной и решают теоремы Пуанкаре,разглядывают звёзды и прочее большая часть страны скоро будет опять сидеть без света и готовить на кострах на улице как в 90-е.
Короче есть мысль создать сообщество гениев (всё гениальное просто),если есть интерес и компетентность можно обсудить?
no subject
Date: 2016-09-05 12:56 pm (UTC)Насчет дешевизны, надежности и простоты - ну, совсем просто тут никак не получится, но все же можно изготовить в "полудомашних" условиях (шлифовка и подгонка цилиндра, поршня и штока вытеснителя требует все же проф оборудования, но можно поискать "шабашника").
Что касается "сообщества гениев" - звучит несерьезно. Если есть желающие заняться изготовлением рабочего образца двигателя (у меня пока нет времени), могу поделится своими исследованиями в этом вопросе. Но тратить время на "сообщества", тут уж увольте-с.
no subject
Date: 2016-09-05 01:24 pm (UTC)Кустарное производство и есть то что я имел ввиду.
"Что касается "сообщества гениев" - звучит несерьезно. Если есть желающие заняться изготовлением рабочего образца двигателя (у меня пока нет времени), могу поделится своими исследованиями в этом вопросе. Но тратить время на "сообщества", тут уж увольте-с".
Непонятно что вы восприняли как трату времени но бороться со стереотипами дело безнадёжное так что проехали.
Что до ваших исследований то если это открытая информация то поделитесь конечно,просто что-бы узнать стоит ли заморачиватся этим двигателем и его рабочим образцом нужно больше информации.
no subject
Date: 2016-09-05 02:27 pm (UTC)Если в общих чертах, то они следующие:
- если планируется греть огнем или солнцем, то есть температуры от 300 С и выше, то тип двигателя только бета - общий цилиндр для вытеснителя и рабочего поршня;
- регенератор проще сделать на вытеснителе, так как не требуется заниматься еще и уплотнением вытеснителя, но эффективнее, все же, регенератор расположить в отдельной трубке (ах);
- греть цилиндр можно только с торца, если регенератор расположен на вытеснителе. Если газ в холодном состоянии не более 3-х атмосфер, то плоской поверхности будет достаточно для чугуна или нержавейки, если больше, то требуется делать торец и вытеснитель в в виде полусферы или волнистыми;
- цилиндр необходимо делить теплоизоляцией на горячую и холодную часть - для небольших давлений и температур в качестве прокладки можно использовать асбестовый картон, при больших надо искать другие варианты;
- материал цилиндра зависит от целей изготовления - для экспериментальных можно любое железо использовать, для продолжительного чугун, для коммерческих - высокотемпературная нержавейка или такой же чугун;
- необходима оптимизация движения вытеснителя - он должен во время всего процесса расширения находится рядом с рабочим поршнем, а перемещаться между областями как можно быстрее. Для этих целей подойдет кулачковый механизм, то есть шток вытеснителя не соединен с маховиком, а пружиной прижимается к кулачку. Можно поискать другие варианты механизмов, но кулачок позволяет задавать любую траекторию движения;
- чем больше ход рабочего поршня, тем больше работы за цикл и тем меньше потери в регенераторе, но и тем больше падение давления в цилиндре и разница крутящего момента. Это соотношение зависит от многих факторов, но в общем случае не желательно менее 1/3 длины цилиндра, а для температуры от 500 С - 1/2;
- наиболее лучший вариант расположения вентиляторов - на вытеснителе, но тут множество сложностей с приводом. Либо тянуть провода через шток, с щетками на нем, либо городить механический привод от движения вытеснителя (это не так уж и сложно, но повозиться придется). Но можно обойтись внешними вентиляторами/турбинами с механическим или электрическим приводом (дуговая трубка, приваренная к корпусу около стенки, одна часть большего диаметра, с турбинкой в ней). Для того, чтобы смазка не перегревалась желательно привод через длинную трубку немного большего диаметра чем вал, а в районе привода узкая смазываемая часть.
- точные расчеты сделать проблематично, поэтому понадобятся эксперименты, для этого в экспериментальном образце потребуется делать шток вытеснителя и поршня переменной длины и на несколько вариантов крепления разного расстояния от центра.
Это если вкратце, подробнее можно уже по конкретной конструкции.
no subject
Date: 2016-09-05 11:35 pm (UTC)Такой вариант мне не подходит и неинтересен в принципе,я не энтузиаст технарь который любит допиливать всякое говно до уровня шоколада что-бы в итоге всё равно получилось говно лишь похожее на шоколад.
Меня интересует максимально возможная простота конструкции (материалы при этом могут быть сложные) и возможность их изготовления у кустарей,у кузнеца вот например можно будет заказать деталь из высокотемпературной нержавейки и/или деталь из чугуна?
Меня интересует комбинация цена-качество,мощность в пределах 1 кв/т,можно больше но без усложнения конструкции.
Греть буду солнцем,больше 300 градусов естественно.
О каком газе идёт речь в описании?
Читал где-то предложение одного из энтузиастов про капельную подачу воды для образования пара и следовательно увеличения рабочего давления,это приемлемое по сложности усовершенствование на мой взгляд ибо оно простое.
Ещё раз акцентирую что я интересуюсь двс Стирлинга небольшой мощности,такой что подходит для частного дома,небольшого коттеджа,балкона в квартире а не промышленными мощными образцами.
Ещё буду очень благодарен если по описываемым вами процессам есть возможность прилагать картинки,я недавно изучаю двс Стирлинга и мне по описанию не всё удаётся понять:))
no subject
Date: 2016-09-06 01:25 am (UTC)Еще нужна болгарка, дрель, сварка и желание делать. То есть, никаких сложных "промышленных мощностей" для изготовления, того, что я описал выше, не требуется. Проще описанного двигателя будут только игрушки из банки от колы.
По поводу капельной подачи, если вкратце - полная хрень. Хотите подробнее - осильте хотя бы эту ветвь одного из форумов - http://www.chipmaker.ru/topic/151347/.
no subject
Date: 2016-09-06 01:43 am (UTC)А вот кузнецы у нас наоборот,некоторые вещи которые куют никакой токарь не сделает.
"Еще нужна болгарка, дрель, сварка и желание делать".
Я кузовным ремонтом занимаюсь,владею этими инструментами даже лёжа в позе буквой зю.
Сварка только полуавтомат правда,электродной я не спец.
"Проще описанного двигателя будут только игрушки из банки от колы".
Ну судя по-"С точностью хотя бы на уровне ДВС" не всё так просто как как в игрушках из банки с колой.
А примерных набросков хотя бы у вас нет?
no subject
Date: 2016-09-06 02:04 am (UTC)И набросков чего? Схематических изображений бета-стирлинга полно в Интернет, даже анимаций. Конкретно с чем проблемы?
no subject
Date: 2016-09-06 03:43 am (UTC)Набросков по теме вашего поста.Ролики и анимация по стирлингам у меня есть,я спрашивал том чем вы готовы поделится,свои наработки,вы о них писали.
И расписывали где и как что сделать.
no subject
Date: 2016-09-06 04:46 pm (UTC)Я постараюсь в ближайшие дни сделать примерные схемы и объяснить причины подбора размеров и толщины материалов, хотя, как я понимаю, Вы не скоро собираетесь заняться двигателем.
no subject
Date: 2016-09-06 10:56 pm (UTC)Я имею ввиду что я гуманитарий а вы технарь.Только технари читая не понимают смысла написанного.
(бубнит про себя) Песдец,я все-то у чувака наброски по физике описываемых им процессов попросил.А его сразу в чертежи и строительство завода понесло.
no subject
Date: 2016-09-07 08:05 am (UTC)no subject
Date: 2016-09-07 08:14 am (UTC)Не сдержался,ссори.
no subject
Date: 2016-09-07 02:43 pm (UTC)Поэтому могу сделать заключение, что из Вами написанного совсем не понятно, какие "картинки" хотите получить. С одной стороны Вы пишите, что со "стирлингами" достаточно хорошо знакомы, а потом говорите о необходимых набросках "по физике описываемых процессов". И что в итоге Вам нужно? Все описываемые процессы присущи стандартному "стирлингу", плюс добавление вентилятора или компрессора для создания потоков газа внутри рабочего тела.
Если хотите какие-то более подробные описания или схемы, то пишите, что конкретно "в физике процессов" Вам не понятно. Иначе мне понадобится целую книгу с иллюстрациями писать.
no subject
Date: 2016-09-08 12:08 am (UTC)Как я уже сказал,проехали.