- Сучасні застосування старої ідеї
- Від теплової енергії до механічної роботи
- Як побудувати свій власний двигун Стірлінга
- Моделювання теплового насоса Стірлінга в COMSOL Multiphysics
- збільшення ККД
Двигуни або теплові насоси Стірлінга - це системи, які можуть працювати при неймовірно малою різниці температур. Деякими варіантами двигунів Стірлінга для роботи достатньо навіть тепла людського тіла. У статті ми розглядаємо динаміку цієї цікавої машини, яку можна побудувати в домашніх умовах, і показуємо, як створити її модель в COMSOL Multiphysics.
Сучасні застосування старої ідеї
Спочатку трохи історії двигуна Стірлінга. Розроблений два століття назад в 1816 році Робертом Стірлінгом двигун в той час називали «двигуном майбутнього». Хоча ця технологія так і не стала справді популярною, двигуни Стірлінга широко використовуються в багатьох сучасних прикладних задачах. Наприклад, сонячний варіант двигуна Стірлінга безпосередньо перетворює сонячне тепло в механічну енергію, яка в свою чергу приводить у рух генератор і виробляє електрику. Крім того, цей же підхід використовується для отримання енергії з геотермальних джерел і теплових скидів промислових підприємств. Ймовірно, найдивовижніша область, в якій знайшли своє застосування двигуни Стірлінга - це шведські підводні човни; в них двигуни Стірлінга забезпечують тягу навіть без доступу до повітря.
Від теплової енергії до механічної роботи
Ми розповіли про деякі застосуваннях двигунів Стірлінга, але який же принцип роботи цього пристрою? У двигуні Стірлінга теплова енергія перетворюється в механічну роботу в ході циклічного процесу. Деталі реалізації можуть відрізнятися, але основний принцип залишається незмінним. Робоче тіло проходить через чотири процесу: охолодження, стиснення, нагрів і розширення. Теплота переноситься газом від гарячої сторони двигуна до холодної. ККД двигуна не перевищує ККД циклу Карно.
На відміну від звичайних двигунів, двигуни Стірлінга не вимагають для своєї роботи високих температур. Деякі двигуни успішно працюють при невеликій різниці температур між гарячою і холодною сторонами. Крім того, для них характерний дуже низький рівень шуму і відповідних втрат енергії, оскільки в робочому процесі не відбуваються вибухи і не виділяються вихлопні гази. У той же час двигуни Стірлінга найкраще підходять для прикладних задач, в яких потрібно забезпечити постійну потужність, оскільки динамічно регулювати їх потужність надзвичайно складно. Це, ймовірно, найголовніша причина, по якій ми до сих пір не управляємо автомобілями з двигунами Стірлінга.
Двигун Стірлінга, що працює від тепла людської долоні. (Зображення «Двигун Стірлінга, який працює тільки від різниці температур між навколишнім повітрям і долонею». Власна робота учасника Arsdell. Доступно за ліцензією Creative Commons «Атрибуція - На тих же умовах» 3.0 на Вікісховища ).
Як побудувати свій власний двигун Стірлінга
Якщо у вас є досвід ручної роботи, ви можете самі зібрати двигун Стірлінга в домашніх умовах навіть без професійних інструментів і відповідного досвіду. На YouTube ви можете знайти кілька відеоуроків і покрокових посібників по збірці двигуна. Найпростіший варіант можна зібрати з банки з-під коли і інших непотрібних у господарстві речей.
Звичайно, ККД такого двигуна Стірлінга навряд чи буде оптимальним. Більш підходящим рішенням є створення чисельної моделі двигуна.
Моделювання теплового насоса Стірлінга в COMSOL Multiphysics
За допомогою чисельної моделі двигуна Стірлінга ми можемо підібрати і випробувати різні поєднання матеріалів і налаштування параметрів. Процес описується рівняннями теплопередачі та гідродинаміки, а для спрощеного опису механічної складової процесу досить вирішити додаткове звичайне диференціальне рівняння - рівняння руху.
Двомірна осесиметрична модель складається з основного циліндра, який містить робоче тіло (повітря) і поршень. У малому циліндрі вгорі розташований приводний поршень. Обидва поршня з'єднані паралельно і рухаються на колінчастому валу, на якому вони рознесені по фазі на 90 °. Колінчастий вал в модель не включений. Такий вид двигуна Стірлінга називається гамма-конфігурацією.
Модель теплового насоса Стірлінга.
Тут завдання теплопередачі в робочому газі вже вирішена. Механічна сторона процесу реалізується за допомогою рухомої сітки (ALE). Витіснювач і приводний поршень можуть вільно рухатися в напрямку z. Встановлене зміщення відповідає режиму теплового насоса. При цьому механічна робота використовується для передачі теплової енергії в напрямку, протилежному напрямку мимовільної передачі теплоти. Зворотний процес - власне роботу двигуна Стірлінга - можна моделювати, використовуючи джерело тепла і розраховуючи кінцеві сили тиску на приводний поршень і витіснювач. У будь-якому випадку, система проходить ланцюжок процесів, які відповідають чотирьом стадіями циклу Карно:
Термодинамічні процеси, що діють на робоче тіло.
ККД такого циклу далекий від циклу Карно, але отриманий графік залежності тиску від об'єму, який ви бачите нижче, збігається з експериментальними даними .
Графік залежності тиску від об'єму в циклі Стірлінга.
Основна перевага моделі полягає в тому, що ми можемо вивчати фізичні явища в тепловому насосі. Наприклад, представлене нижче анімоване зображення показує розподіл швидкостей під час роботи теплового насоса.
Розподіл швидкостей під час роботи теплового насоса.
Поршень передає механічну енергію, необхідну для перекачування тепла, а значить, ми можемо вивчити динамічний розподіл температури під час роботи теплового насоса.
Анімація, що показує розподіл температури.
збільшення ККД
Щоб збільшити ККД двигуна Стірлінга, необхідно максимізувати площа замкнутої області на графіку "тиск-об'єм" (pV-діаграмі). Ця площа відповідає роботі, досконалої двигуном. Загальний ККД двигуна можна збільшити декількома способами. Вибір в якості робочого тіла газу з високою питомою газової постійної (наприклад, з малою молярною масою) максимізує роботу, яку може зробити двигун в процесі ізотермічного розширення. Тому в якості робочого газу зазвичай використовують водень або гелій. Крім цього, можна максимізувати передачу тепла через витіснювач, використовуючи пористий витіснювач-регенератор (див. цю статтю ).