Дуже тісно до сучасної тенденції використання поновлюваних джерел енергії (ВДЕ) примикає можливість реалізації цієї енергії в корисних цілях за допомогою двигуна Стірлінга. Даний двигун являє собою одну з варіацій двигуна зовнішнього згоряння і в силу цієї особливості може бути легко перекладений на роботу від ВДЕ без шкоди для екології.

Підписатися на статті можна на головній сторінці сайту.

Цей винахід має досить давню історію. Шотландський священик Роберт Стірлінг запатентував двигун, який з тих пір носить його ім'я, ще в 1816 р, проте двигуни аналогічного принципу дії були відомі і раніше - з кінця XVII ст. По суті, Роберт Стірлінг лише удосконалив їх, зробивши конструкцію більш енергоефективною.
Двигун Стірлінга - теплова машина, в якій рідке або газоподібне робоче тіло розширюється і звужується в замкнутому просторі внаслідок періодичного нагрівання і охолоджування і робить роботу за рахунок припливу теплової енергії із зовнішнього середовища. Та особливість, що енергія підводиться до робочого тіла із зовнішнього середовища, створює можливість для роботи двигуна Стірлінга не тільки на енергії, що виділяється при спалюванні палива, але і від будь-якого джерела тепла, в тому числі від ВДЕ.
Найпростіший двигун Стірлінга є герметичною циліндр, заповнений газом або рідиною, всередині якого розміщуються витіснювальний і робочий поршні. Поршень-витіснювач також має форму циліндра, діаметр якого менше внутрішнього діаметра більшого циліндра настільки, що між їх стінками залишається невеликий зазор, по якому може перетікати газ або рідина, що заповнює циліндр. Робочий поршень розміщується за витіснювальний і штовхає маховик, з яким пов'язані обидва поршня за принципом кривошипно-шатунного механізму. Зовнішній циліндр двигуна підігрівається з одного кінця. При цьому робоче тіло (газ, рідина) нагрівається практично при постійному обсязі, потім робоче тіло розширюється при постійній температурі, здійснюючи роботу і штовхаючи робочий поршень. Робоче тіло переміщається поршнем-витіснювачем в холодну зону, де відбувається охолодження при майже постійному обсязі.
Рух робочого поршня зрушено на 90 ° щодо руху поршня-витискувача. Залежно від знака цього зсуву машина може бути двигуном або тепловим насосом. При нульовому зсуві машина не робить ніякої роботи (крім втрат на тертя).
Якщо фізико-хімічні характеристики робочого тіла і циліндра підібрані так, що в процесі циклу «розширення-стиснення» матеріал робочого тіла проходить через фазовий перехід, робота двигуна може бути досить ефективною, але потребують високого тиску всередині циліндра.
Стірлінг удосконалив двигун за рахунок введення в нього так званого «економа» - теплообмінника-рекуператора або регенератора, який утримує тепло в теплій частині двигуна, в той час як робоче тіло охолоджується. Тим самим рекуператор (регенератор, економ) підвищує продуктивність двигуна. Рекуператор двигуна Стірлінга може являти собою камеру, заповнену дротом, гранулами, гофрованої фольгою (гофри йдуть вздовж напрямку потоку газу або рідини). Газ або рідина робочого тіла, проходячи через наповнювач рекуператора в одну сторону, віддає (або набуває) тепло, а при русі в іншу сторону відбирає (або віддає) його.
За термодинамічної ефективності ідеальний цикл Стірлінга не поступається циклу Карно, складається з чотирьох фаз і розділений двома перехідними фазами: нагрів, розширення, перехід до джерела холоду, охолодження, стиснення і перехід до джерела тепла. При переході від теплого джерела до холодного відбувається розширення і стиснення газу, що знаходиться в циліндрі. При цьому змінюється тиск, за рахунок чого можна отримати корисну роботу. Нагрівання і охолодження робочого тіла (ділянки 4 і 2) проводиться рекуператором. В ідеалі кількість тепла, що віддається і відбирається рекуператором, однаково. Корисна робота проводиться тільки за рахунок ізотерм і залежить від різниці температур нагрівача і охолоджувача.
Рекуператор може бути зовнішнім, а може розміщуватися на поршні-витискувачі, що робить габаритні розміри і вага двигуна менше. Роль рекуператора виконує також зазор між витіснювачем і стінками циліндра. При великій довжині циліндра потреба в додатковому рекуператорі взагалі зникає, але з'являються значні втрати на подолання в'язкості робочого тіла.
Залежно від особливостей конструкції, в тому числі від розміщення рекуператора, розрізняють кілька типів двигуна Стірлінга.
Типи двигуна Стірлінга

Традиційно виділяють альфа-, бета- і гамма-Стірлінг.
Альфа-Стірлінг містить два роздільних силових поршня (гарячий і холодний) в роздільних циліндрах. Циліндр з гарячим поршнем знаходиться в теплообміннику з більш високою температурою, в той час як циліндр з холодним поршнем знаходиться в більш холодному теплообміннику. У даного типу двигуна відношення потужності до обсягу досить велике, але висока температура «гарячого» поршня створює певні технічні проблеми.
В альфа-Стірлінг рекуператор може бути тільки зовнішнім. Він монтується послідовно з теплообмінником, в якому відбувається нагрів ра бочего тіла, з боку холодного поршня.
Робота бета-Стірлінга описана вище як приклад найбільш простого двигуна Стірлінга. Циліндр всього один, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Усередині циліндра рухаються поршень (з якого знімається потужність) і «витіснювач», що змінює обсяг гарячої порожнини. Газ перекачується з холодної частини циліндра в гарячу через регенератор. Регенератор може бути зовнішнім, як частина теплообмінника, або може бути поєднаний з поршнем-витіснювачем.
У конструкцію гамма-Стірлінга входять два циліндра, а також поршень і «витіснювач». У холодному циліндрі рухається поршень, з якого знімається потужність. У другому циліндрі, гарячому з одного кінця і холодним з іншого, рухається поршень-витіснювач. Регенератор може бути зовнішнім, в цьому випадку він з'єднує гарячу частину другого циліндра з холодною і одночасно з першим (холодним) циліндром. Внутрішній регенератор є частиною витіснювача.
Існують і інші різновиди двигуна Стірлінга. Одним з найцікавіших сучасних рішень є роторний двигун Мухіна - найбільш компактний в ряду двигунів Стірлінга. Одним з його переваг є відмова від кривошипно-шатунного механізму.
Переваги і недоліки
Двигун Стірлінга в XIX в. створювався і розглядався як вибухобезпечна альтернатива паровим двигунам. Він дійсно безпечний в цьому відношенні, але це не єдина його перевага.
Як все двигуни зовнішнього згоряння, двигун Стірлінга може працювати від будь-якого перепаду температур. Це визначає і можливість створення двигунів Стірлінга, зовсім не завдають при роботі шкоди екології. Його конструкція проста, значно простіше двигунів внутрішнього згоряння, які передбачають газорозподільні системи для спалювання палива, системи пуску двигуна і ін. Двигун Стірлінга при роботі виробляє дуже мало шуму, значно менше, ніж будь-які двигуни внутрішнього згоряння. Безаварійний ресурс двигуна дуже високий, цьому сприяє простота конструкції і відсутність «вразливих» вузлів, які, наприклад, можуть засмічуватися при спалюванні палива (в роторному двигуні Стірлінга, як говорилося вище, відсутня навіть кривошипно-шатунний механізм). Нарешті, двигун Стірлінга характеризується досить високим ККД.
Незважаючи на зазначені переваги, двигун Стірлінга не отримав такого широкого поширення, як наприклад, газо-поршневі або газо-турбінні двигуни внутрішнього згоряння. Його недоліки переважували до теперішнього часу начебто очевидні переваги. Основним з недоліків двигунів Стірлінга вважається висока матеріаломісткість виробництва машин необхідної потужності. Робоче тіло двигуна Стірлінга необхідно охолоджувати, що призводить до істотного збільшення маси і габаритних розмірів установки за рахунок збільшених радіаторів. Досягнення характеристик двигуна рівня двигунів внутрішнього згоряння вимагає високого тиску (понад 100 атм) в циліндрі.
Однак останнім часом, коли велика увага приділяється екологічним характеристикам обладнання, застосування двигунів Стірлінга може значно розширитися, причому в різних сферах.
Застосування і перспективи
В даний час поряд зарубіжних фірм (Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling) розпочато виробництво двигунів Стірлінга, технічні характеристики яких вже зараз перевершують ДВС і газотурбінні установки. Ці двигуни мають ефективний ККД (до 45%), питому масу від 3,8 до 1,2 кг / кВт, ресурс до 40 тис. Ч і потужність від 3 до 1200 кВт.
З 60-х рр. минулого століття двигуни Стірлінга почали застосовувати на підводних човнах. Піонером у цьому напрямку виступила Швеція. В даний час шведські кораблебудівники вже відпрацювали технологію оснащення цими двигунами підводних човнів шляхом врізання додаткового відсіку, в якому і розміщується нова рухова установка. Двигуни Стірлінга дозволяють підводним човнам перебувати під водою без спливання до 20 діб. Подібні двигуни встановлені також в новітніх японських підводних човнах.
Одне з найважливіших і найперспективніших застосувань двигунів Стірлінга - вироблення електроенергії. В даному випадку велике значення має універсальність цих двигунів щодо джерела енергії і можливість працювати при перепадах температур в таких діапазонах, де двигуни внутрішнього згоряння застосовуватися не можуть. Зокрема, розглядаються варіанти застосування двигунів Стірлінга для вироблення електроенергії в космосі. Такий двигун, що працює на радіоактивних ізотопів, розроблений в NASA.
Великі надії покладаються на використання двигунів Стірлінга для перетворення сонячної енергії в електричну. У цій установці сонячної електростанції двигун Стірлінга встановлюється у фокусі параболічного дзеркала таким чином, щоб відбиті промені сонця постійно фокусувалися на зоні нагрівання. Параболічний відбивач керується по двох координатах при стеженні за сонцем. Дзеркала відображають близько 92% падаючого на них сонячного випромінювання. Як робоче тіло для таких двигунів Стірлінга використовується водень або гелій. Ефективність вироблення електроенергії на цих установках (Sandia) досягає 31,25%.
Компанія Stirling Solar Energy будує в Каліфорнії найбільшу в світі сонячну електростанцію, яка була батарею з параболічних сонячних установок, оснащених двигунами Стірлінга. Випускаються також і невеликі сонячні електростанції з двигунами Стірлінга, якими можуть користуватися навіть туристи. Фірмою Alisson розроблений і побудований космічний варіант сонячної установки з двигуном Стірлінга потужністю 5 кВт (ККД 37,5%). Як джерело теплоти використовується параболічний пелюстковий концентратор діаметром 5,8 м, що створює в приймачі температуру 947 К. У пастці приймача випромінювання встановлюється тепловий акумулятор, який чи тепло фазового перетворення при постійній температурі на тіньових ділянках орбіти польоту. Така установка довгий час працювала на одному з штучних супутників Землі типу Gemini. У Росії РКК «Енергія», РНЦ ім. Келдиша розробляли сонячну енергетичну установку для МКС «Альфа» на основі ДС потужністю 10 кВт і 36-пелюсткового сонячного концентратора діаметром 10 м. Двигун Стірлінга був створений і випробуваний на одному з підприємств Санкт-Петербурга в 2001 р
Проглядаються цікаві перспективи застосування двигуна Стірлінга в теплових насосах. Зазвичай до складу теплонасосної установки включається циркуляційний насос, який перекачує теплоносій по контуру, що має значну протяжність. Агрегат, який поєднує двигун Стірлінга і тепловий насос Стірлінга ( «стірлінг-стірлінг»), може змінити ситуацію. Двигун Стірлінга віддає в систему опалення непридатне тепло від «холодного» циліндра, а отримана механічна енергія використовується для підкачки додаткового тепла, яке забирається з навколишнього середовища. У теплонасосі «стірлінг-стірлінг» абсолютно відсутні робочі поршні. Перепади тиску, що виникають в двигуні, застосовуються безпосередньо для перекачування тепла тепловим насосом. Внутрішній простір агрегату герметично і дозволяє використовувати робоче тіло під дуже високим тиском. Згідно з проведеними розрахунками тепловий насос «стірлінг-стірлінг» в ідеалі повинен на кожну калорію спаленого газу додавати ще 3-10 кал з ВДЕ. При випробуваннях ця величина виявилася менше, і поки досліди по використанню таких пристроїв припинені.
Оскільки двигуни Стірлінга можуть застосовуватися для перетворення в електроенергію будь-якого виду теплоти, для Росії значний інтерес представляє можливість серійного виробництва електрогенераторів середньої потужності (від 3 до 500 кВт) з двигунами Стірлінга, що працюють на місцевих видах палива, в тому числі і на біомасі. В даному випадку в якості місцевого палива можуть використовуватися торф, вугілля, сланці, відходи сільського господарства і лісопереробної промисловості та ін.
В даний час поряд компаній (Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling) розпочато виробництво двигунів Стірлінга, технічні характеристики яких перевищують двигуни внутрішнього згоряння і газотурбінні установки. Ці двигуни характеризуються ККД до 45%, питомою масою від 3,8 до 1,2 кг / кВт, робочим ресурсом до 40 тис. Ч і потужністю від 3 до 1200 кВт.

Журнал "Аква-Терм" №3 (67), 2012

Опубліковано: 28 вересня 2012 р

Повернутися назад