Элементарная теория и расчет стирлинга

Страница 1 из 5 1, 2, 3, 4, 5  Следующий

Предыдущая тема Следующая тема Перейти вниз

Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Teoretic в Вс Апр 07, 2013 5:07 pm

Идеальный стирлинг
-----------------------------

Здесь с исправлениями, добавлениями и калькулятором
http://stirlingengine.ukrainianforum.net/t100-topic



В этих сообщениях я хочу поделиться своими соображениями по поводу конструирования двигателей Стирлинга.


Вначале о расчетах.

Обычно предлагается рассчитывать по теории Шмидта. Познакомившись с нею, я понял, что для обычного любителя она бесполезна: слишком много ей нужно параметров, которые точно определить нельзя.
Поэтому я предлагаю пользоваться обычной термодинамикой для идеального цикла Стирлинга. (Кстати, я пишу стирлинг с маленькой буквы, если имею в виду двигатель, а с большой буквы - человека.)

Конечно, эти расчеты дадут идеальные значения. Насколько они далеки от реальных, сказать трудно. Но, во-первых, по этим расчетам сразу можно будет сказать, каких параметров мы в данном стирлинге точно не достигнем. Во-вторых, у нас будет ориентир, к чему стремиться. И в-третьих, разделив наш результат на два или на три, получим хорошее приближение к реальности.

Итак, моя цель - дать формулу мощности стирлинга при исходных параметрах:
- температура холодильника, Т1,
- температура нагревателя, Т2,
- рабочий объем, V1,
- рабочее давление P1.

Если опустить физику с математикой, результат таков. Полезная работа за один цикл идеального стирлинга

А = 0.37 * P1 * V1 * (Т2-Т1) * Log((T2+273)/(T1+273)) Дж, где

Р1 - в атмосферах, V1 - в литрах, температура - в градусах Цельсия (Log - натуральный логарифм).

Давление в горячем цилиндре P2 = P1 * (T2+273)/(T1+273)

Ну что ж, прикинем. Для 1-литрового стирлинга на атмосферном давлении, температура нагрева 300 град, температура охлаждения 100 град, получаем полезную работу цикла чуть больше 30 джоулей.
А сколько циклов в секунду сделает наш стирлинг?
Ответ даст только тот, кто уже сделал хоть один двигатель.
Опять же, по здравому смыслу, один цикл в секунду - это как-то сильно медленно, а 10 циклов в секунду - оптимистично. Следовательно, мощность будет между 30 и 300 ваттами. Делим на 3 для перехода к практике и получаем 100 ватт максимум.
Значит, если накачаем на 10 атмосфер - получим киловатт. Ну, и так далее...

К сожалению, это еще не все.

Вспоминаем про кпд (коэффициент полезного действия). Для цикла Стирлинга он совпадает с максимально достижимым кпд тепловых машин:

кпд = (Т2-Т1)/(Т2+273)

для низкотемпературного стирлинга (Т1=50, Т2=100) получаем кпд=13%,
для нашего однолитрового 300-градусного стирлинга кпд=34%.
Поделив, по нашему обыкновению, результат на 3, делаем вывод, что низкотемпературные стирлинги имеют кпд единицы процентов, и только высокотемпературные - больше 10 - 15%.
Казалось бы, ну и что? Все равно для стирлингов предполагается использовать даровую энергию. Подумаешь, потеряется там побольше или поменьше, это не сильно важно. Главное - получить нужную мощность.
Нет. Это очень важно. Пусть кпд равен 10% - это одна десятая. Следовательно, на 100 ватт мощности надо подвести к нагревателю 1 кВт (это не страшно), и отобрать от холодильника 900 ватт! Вот где собака зарыта! Воздушный охладитель на 900 ватт - это очень серьезное сооружение! Посмотрите хотя бы внутрь своего компьютера. Охладитель процессора - это здоровенный радиатор, да еще и обдуваемый вентилятором, а отводит он около 100 ватт, не больше!
Водяное охлаждение не спасает, поскольку воду тоже надо охлаждать с той же мощностью, и мы возвращаемся к исходной точке. Ну, если у вас есть неограниченный источник холодной воды (река или озеро, например), тогда водяное охлаждение - то, что доктор прописал.

Следовательно, проблема охлаждения стоит весьма остро. Если охлаждение недостаточно, холодильник будет нагреваться, мощность - падать.
Самое время вспомнить о проблеме регенератора.
Идеальный цикл рассчитан в предположении идеального регенератора. Что это значит? Энергия, затраченная регенератором на нагрев газа от Т1 до Т2, полностью возвращается в регенератор при охлаждении газа от Т2 до Т1. То есть, нам не надо подводить энергию при нагреве и охлаждать холодильник при охлаждении газа (что и обеспечивает максимальный теоретический кпд). А если регенератор плохой, или его вовсе нет?
Прикинем. Для нагрева (или охлаждения) газа нужна энергия (тепловая в данном случае):
Q = Cv * (T2-T1), где Cv - теплоемкость газа (воздуха) при постоянном объеме.
Для нашего 1-литрового стирлинга (теплоемкость 1л воздуха около 0.9 Дж/град)
Q = 0.9*(300-100) = 180 Дж
А на подогрев газа при изотермическом расширении ушло около 90 Дж (это и есть подводимая энергия за цикл). Всего за цикл надо подвести энергии 270 Дж. В три раза больше, чем при наличии регенератора. Значит, отсутствие регенератора ухудшает кпд в три раза. (То есть, при охлаждении придется отводить 2.7 киловатта! И это на наши 100 ватт полезной мощности).
Как видим, не зря Стирлинг считал регенератор самой важной частью своего двигателя.

Выводы (это мои соображения, у других людей может быть и по-другому).

Можно подразделить стирлинги по их мощности.

1. Двигатели мощностью менее 1 ватта.
Охлаждение не сложное. Регенератор в таких маленьких объемах неэффективен.
Однако, маленькая мощность определяет их назначение, в основном, демонстрационными моделями-игрушками.

2. Двигатели до 10 ватт.
Регенератор желателен, но если размеры охладителя до сотен ватт и гораздо более низкий кпд не смущают, то можно и без него. Назначение - походный генератор электроэнергии от костра или солнца.

3. Двигатели до 100 ватт и более.
Регенератор обязателен. Охладитель большого размера. Назначение самое разнообразное: генерация электроэнергии для дачного домика, привод водяного насоса для колодца или полива, и т.д.


По типу (альфа, бета, гамма).

Оптимальная для любителя - типа гамма (по эффективности - бета, но он сложнее).
Его плюс - уплотнения, работающие при низкой температуре.
Я планирую делать двигатель на атмосферном давлении. Объясню, почему.
Малое давление - тонкие стенки цилиндра. (В нашем 1-литровом двигателе давление в горячем цилиндре - 1.5 атм, а значит, избыточное давление - 0.5 атм) Лучший подвод мощности, меньшие теплопотери по стенкам, легче отвод тепла, меньше вес.
Колоссальное ослабление требований к уплотнениям. Двигатели высокого давления обязаны иметь герметичные уплотнения. То есть, сохранять давление хотя бы в течение нескольких дней, а лучше - недель (мы же говорим о необслуживаемых двигателях, а если его каждый час надо подкачивать?). Для любителя эта проблема нерешаемая.
Двигателю на атмосферном давлении герметичные уплотнения не нужны (меньше потери на трение). Нужна только компрессия - сохранение давления на время цикла.
Регенератор должен быть встроен в вытеснитель. Это гораздо проще конструктивно (чем лепить трубки на цилиндр). Снимаются требования к зазору вытеснителя. Зазор должен быть минимальным, чтобы вытеснитель ходил без трения, но воздух шел через регенератор. Думаю, порядка 0.1 мм, а может и меньше, - вполне достижимая величина. То есть остаются всего два уплотнения - штока вытеснителя и рабочего поршня.

Сейчас мне возразят про низкую мощность или большие габариты.
Ну, мы уже прикинули. Для 100 ватт достаточно одного литра рабочего объема, или около 2 л полного объема. Что, не поместится в сарай или на крышу?
Для походного двигателя в несколько ватт рабочий объем - размером со стакан. Это очень много?
Для увеличения объема (и мощности) в 8 раз мы увеличиваем размеры двигателя вдвое. Или накачиваем тот же двигатель на 8 атмосфер!(правда, это будет уже не совсем тот двигатель!) Выбирайте, что проще?



(Добавление)
Идеальный стирлинг. Выкладки (если вас не интересует теория, можно не читать).
-------------------------------------

Для наглядности представляем себе бета-стирлинг с вытеснителем и рабочим
поршнем в одном цилиндре. Нагрев - вверху, охлаждение - внизу. Регенератор - в
вытеснителе.

Рассматриваем идеальный цикл с регенератором.
Он состоит из четырех ветвей (на диаграмме PV или ST).
Не упускаем из виду, что в теории все температуры - в Кельвинах.

Исходное состояние: вытеснитель вверху, газ находится при Т1 и
занимает объем V1.

Ветвь 1. Изохорический нагрев.
Вытеснитель перемещается вниз до соприкосновения с рабочим поршнем.
Газ переходит в горячую область, нагреваясь до Т2 в регенераторе. (При этом
его давление возрастает до P2 = P1*T2/T1)
Тепло, полученное газом от регенератора (хотя это и не важно):

Q1 = Cv * (T2 - T1)

Ветвь 2. Изотермическое расширение.
Поршень вместе с вытеснителем движутся вниз.
Газ изотермически расширяется до объема V2 = V1 * T2/T1. Тепло, полученное
газом при расширении (если газ расширяется, его надо нагревать, иначе он
охладится) равно работе, совершаемой газом над рабочим поршнем, считаем по
формуле

A1 = интеграл(от V2 до V1) P * dV

P подставляем из уравнения Клапейрона-Менделеева:

P*V = Nu*R*T, R - универсальная газовая постоянная, Nu - число молей газа.

P = Nu*R*T*1/V. Т постоянна и равна Т2.

Окончательно, A1 = Nu*R*T2*log(V2/V1).

Ветвь 3. Изохорическое охлаждение.
Вытеснитель перемещается вверх, газ уходит в холодную область через
регенератор, отдавая ему тепло Q2 = Q1, такое же как и в ветви 1, и охлаждаясь
до Т1.

Ветвь 4. Изотермическое сжатие.
Рабочий поршень перемещается вверх, сжимая газ от объема V2 до V1,
при этом отдавая холодильнику тепло (при сжатии газ стремится нагреваться,
поэтому его надо охлаждать), равное работе внешней силы над поршнем (такое же,
как и в ветви 2, только при температуре Т1):

A2 = Nu*R*T1*log(V2/V1).

Все. Мы вернулись в исходное состояние. Цикл завершен.
Полезная работа за цикл равна разности работ А1 и А2:

А = Nu*R*(T2-T1)*log(V2/V1). Поскольку V2/V1 = T2/T1, получаем результат,
приведенный в первом сообщении. Работа за цикл:

А = Nu*R*(T2-T1)*log(T2/T1)

Проверка: посчитаем кпд. Он равен полезной работе, деленной на затраченное при
расширении газа тепло:

кпд = A/A1 = (T2-T1)/T2. Это максимально возможный кпд тепловой машины.

Примечательно, что работа за цикл не зависит от вида газа (водород, азот или
воздух - все равно), а только от его количества и температур нагревателя и
холодильника.
Подставляя численные значения и переходя к градусам Цельсия, получаем
приведенный выше результат.
R = 8.31 Дж/(К*моль), Nu для одного литра при нормальных условиях равно 1/22.4
(один моль любого газа занимает 22.4 литра при нормальных условиях)



(Добавление)
Идеальный стирлинг. Расчет регенератора.
----------------------------------------

Вначале заострим внимание на важных аспектах работы регенератора.
Регенератор - это трубка из теплоизоляционного материала (чтобы исключить передачу тепла по стенкам), заполненная пористым материалом, через который проходит газ в горячую и обратно в холодную область в процессе работы.
Этот материал называется насадкой.
Нижний конец регенератора имеет температуру холодной области, верхний конец - температуру горячей области. Так что газ попадает в области нагрева и охлаждения, уже имея нужную температуру.
(Надо представлять себе регенератор в виде большого количества слоев насадки, температура каждого последующего слоя немножко уменьшается сверху вниз, но не меняется в процессе работы.)
В процессе нагрева газ принимает тепло от регенератора, а в процессе
охлаждения отдает точно такое же количество тепла регенератору, запасая в нем тепло на следующий цикл. При этом температура регенератора не меняется. Так будет, если теплоемкость насадки многократно (в десятки раз) превышает теплоемкость газа.
Чтобы не было теплопередачи вдоль регенератора, насадку укладываем тонкими слоями.

Считаем.

Удельная теплоемкость воздуха около 1 Дж/(литр*град). Для нашего однолитрового стирлига, следовательно, теплоемкость равна 1 Дж/град. (Очень удачно для расчетов, что 1 л воздуха весит 1 г.)
По Уолтеру в качестве насадки лучше всего подходят сетки из тонкой (0.1-0.01 мм) металлической проволоки. А какие теплоемкости у металлов? Смотрим справочник:

латунь - 0.38
медь - 0.385
железо - 0.444
никель - 0.5 Дж/(г*град)

Значит, если мы возьмем около 100 г насадки, любого материала из
перечисленных, теплоемкость насадки превысит теплоемкость газа в 38-50 раз.
Да, но какой объем займет эта насадка?

Плотность металлов:

латунь 8.4
медь 8.9
сталь 7.8 г/куб.см

Проволока займет 11-12 куб.см. Но еще останутся промежутки (должен ведь проходить газ!), поэтому реальный объем будет в несколько раз больше. Ну, скажем, раз в пять или десять. Получается объем регенератора 60 - 160 куб.см. Здесь виден компромисс. Объем регенератора - это мертвый объем (ну, исключая объем проволоки). Поэтому, чем плотнее утолкаем проволоку, тем меньше мертвый
объем, но тем труднее газу протиснуться - больше потери на трение.
Ну вот, у нас получился мертвый объем около 10% рабочего. Это не много.
Еще один неприятный момент - масса вытеснителя возросла на 100 г. Если это критично, регенератор надо убирать из вытеснителя (например, сделать кольцевым по стенкам, или в виде наружных трубок). Это небольшое конструктивное усложнение.

Вывод. Идеальный регенератор выглядит так. Трубка из теплоизолирующего материала (например, стеклянная, или из тонкого металла) заполненная запутанной тонкой металлической проволокой, спрессованной тонкими-тонкими слоями.
Чем больше длина трубки - тем выше качество регенератора, тем труднее продуть через нее газ. (Еще один компромисс.)
На каждый литр рабочего объема (умноженный на давление в атмосферах) нужно около 100 г насадки.
Если трубка не внутри вытеснителя (коорый сам по себе должен быть из теплоизолятора), хорошо бы ее теплоизолировать еще и снаружи.



(Добавление)
Идеальный стирлинг. Расчет охладителя.
-----------------------------------------------

В общем так. Если стирлинг не имеет доступа к неограниченному источнику воды
(например, водяной насос или двигатель на корабле), остается только воздушное
охлаждение. А водяное охлаждение снимает все проблемы.

Рассмотрим воздушное охлаждение.
Воздушное охлаждение - это охлаждение с помощью ребристых радиаторов. То есть,
всю охлаждаемую поверхность утыкиваем алюминиевыми или медными (что лучше, но
дороже) пластинами толщиной не менее 1 мм. Расстояние между ними должно быть
не менее 6-8 мм для естественного охлаждения. При обдуве вентилятором можно и
меньше, но чтобы воздух проходил насквозь.
Посмотрев методики расчета воздушных охладителей, и какую они дают точность, я
сделал вывод - так считать мы не будем. Мало того, что куча замороченных
вычислений, так еще и нет никакой гарантии, что посчитано правильно.
А поскольку точности нет, так и будем использовать самую простую методику.
Из всей той галиматьи с тепловыми расчетами следует нужная нам эмпирическая
зависимость: 1 кв.см поверхности ребра при перепаде температуры в 1 градус
способен отдать около 1 мВт мощности при естественном охлаждении. Это при
охлаждении с двух сторон. Запишем формулой:
P = 0.001 * S * dT, где Р - мощность в ваттах, S - площадь в кв.см, dT -
разность между температурой охладителя и окружающего воздуха. Поэтому нужная
нам площадь охладителя S = 1000 P / dT

Считаем. Наш однолитровый стирлинг при кпд 15% (оптимистично так берем) и
выходной мощности 100 Вт должен отдавать охладителю 670 Вт при температуре 100
градусов. Температура воздуха - 30 градусов (лето!
Перепад температур - 70 градусов. Значит площадь охладителя равна 1000 * 670
/ 70 = 9571 кв.см. Округляем до 10000 кв.см.
Если взять ребра 20х10 см (200 кв.см), потребуется 50 таких ребер. При
расстоянии между ребрами 6 мм длина радиатора составит 30 см. Размещая его по
окружности цилиндра получаем диаметр цилиндра 10 см. Должно поместиться!
Для больших мощностей размеры получатся посолиднее. Еще раз обращаю внимание
на то, что размеры радиатора не зависят от того, на какое давление мы смогли
накачать наш стирлинг (пытаясь уменьшить его размер, вообще-то), а
определяются только мощностью двигателя и его кпд. На цилиндре меньших
размеров такой радиатор может и не поместиться. Тогда выход только один -
принудительный обдув.
Расчет охлаждения при обдуве - еще более муторный. Ничего полезного найти не
получилось, кроме того, что поток воздуха со скоростью 1 м/с снижает
требования к площади вдвое. Надо полагать, если 2 м/с - то вчетверо.
Похоже, проще определить опытным путем. Если температура охладителя получится больше расчетной - площадь радиатора или обдув надо увеличивать.
Но в общем, уже можно представить, что охладители, рассеивающие киловатты,
имеют размеры обычных радиаторов отопления помещений. Что с позиций здравого
смысла и понятно.

Надо бы еще учесть, что это мы охладили внешнюю стенку цилиндра. Внутри температура будет повыше, так что считать надо с запасом. Но расчет настолько приблизительный, что не знаю, стоит ли на это заморачиваться. Считаем, что это минимальный охладитель, и будем делать по крайней мере не меньше, а если помещается - то, конечно, побольше.



Во многих конструкциях регенератором работает гильза вытеснителя и стенка цилиндра. Можно добавить еще гильз. Но эффективность меньше по сравнению с проволокой. Посчитаем.

Регенератор должен иметь максимально возможную поверхность и близкую к нулю теплопроводность вдоль цилиндра.

Прикинем площадь поверхности 100 г проволоки диаметром 0.1 мм

Пусть Ro - плотность проволоки, d - диаметр, l - длина, Pi - число пи.
Масса проволоки m = Ro * Pi * d^2 / 4 * l => l = 4*m / (Ro*Pi*d^2)
Площадь поверхности проволоки S = Pi*d*l = Pi*d*4*m / (Ro*Pi*d^2)
S = 4m / (Ro * d) = 400 г /(8.5 г/куб.см * 0.01см) = 4700 кв.см

Пусть однолитровый цилиндр имеет диаметр D=11см и длину хода вытеснителя L=10см
Площадь цилиндра из фольги S = Pi*D*L*2 = 3.14*11*10*2 = 700 кв.см
Надо сделать 7 слоев, чтобы догнать проволоку. А продуть воздух через 7 слоев фольги не просто.
Теплопроводность спутанной проволоки опять же гораздо ниже, чем у сплошной меди.
А ведь можно взять проволоку и потоньше!


Последний раз редактировалось: Teoretic (Вт Дек 27, 2016 9:09 pm), всего редактировалось 1 раз(а)
avatar
Teoretic

Сообщения : 108
Дата регистрации : 2011-07-08
Возраст : 57
Откуда : г. Армавир Краснодарский край

Посмотреть профиль http://bk0010.narod.ru/pashigorov/

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  chesmiral в Вс Апр 07, 2013 6:34 pm

Слишком много букофф,если чесно,но статья интересна,кстати никто не интересовался по виспергену,там относительно небольшой стирлинг выдаёт киловат,а судя по статье атмосферник должен быть порядка 10 литров,потом применение стирлинга,более обоснованна для сельской месности,особенно зимой,я как бы не вижу большого смысла расматривать двигатели с мощьностью меньше киловатта,хотя с модельками надо повозится,что бы понять процесс,мне например он не доконца понятен.А статья выше может многих и запутать.

chesmiral

Сообщения : 2
Дата регистрации : 2013-03-02

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Teoretic в Вс Апр 07, 2013 7:36 pm

chesmiral пишет:Слишком много букофф,
.А статья выше может многих и запутать.

Я хочу помочь тем, кто реально хочет построить стирлинг своими руками.
По собственному опыту знаю, что при самостоятельном конструировании информации
никогда много не бывает. Всегда бывает мало.
Здесь, я считаю, минимальный минимум.
Если что конкретно непонятно или запутанно, спрашивайте.

А те, кому многабукафф, могут смело игнорировать...
avatar
Teoretic

Сообщения : 108
Дата регистрации : 2011-07-08
Возраст : 57
Откуда : г. Армавир Краснодарский край

Посмотреть профиль http://bk0010.narod.ru/pashigorov/

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  chesmiral в Вс Апр 07, 2013 11:07 pm

Teoretic пишет:
Здесь, я считаю, минимальный минимум.
Если что конкретно непонятно или запутанно, спрашивайте.

А те, кому многабукафф, могут смело игнорировать...
Нужны примеры,разжёвывание многих моментов,и кстати водяное охлаждение удобнее воздушного,его можно дистанционно охлаждать.У многих же нет высшего образования по термодинамике,отсюда и получается много непонятных букофф.Как то так.

chesmiral

Сообщения : 2
Дата регистрации : 2013-03-02

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Teoretic в Пн Апр 08, 2013 1:39 am

chesmiral пишет:
Нужны примеры,разжёвывание многих моментов,и кстати водяное охлаждение удобнее воздушного,его можно дистанционно охлаждать.У многих же нет высшего образования по термодинамике,отсюда и получается много непонятных букофф.Как то так.
Не знаю, как вы читаете (наверное, трудно, многабукаф)?
Вся статья - это конкретный расчет 1-литрового стирлинга, начиная от расчета мощности и КПД,
затем расчет регенератора, и в конце - охладителя.
Причем для расчетов по предлагаемым формулам достаточно знания четырех действий арифметики,
это средняя школа.

Насчет водяного охлаждения в статье все написано, опять же, может, вы ниасилили?
Если не предполагается неограниченного источника воды, то водяное охлаждение сводится к воздушному:
воду тоже придется чем-то охлаждать, когда она нагреется?

Если же вы хотите понимать в деталях, как работает двигатель, и как получились такие формулы - тогда да,
четырьмя действиями не обойтись, к сожалению. Предмет более сложный.
Но я там и пишу - это теория, можно пропустить.
avatar
Teoretic

Сообщения : 108
Дата регистрации : 2011-07-08
Возраст : 57
Откуда : г. Армавир Краснодарский край

Посмотреть профиль http://bk0010.narod.ru/pashigorov/

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Sogokon'A в Вт Апр 09, 2013 4:57 am

Спасибо за увлекательный пересказ термодинамики! Правда, букофф не считал, но, кажется все на месте.Very Happy А больше всего мне цыфырки понравились: 1 литр, 100 Вт на выходе, 1 кВт на входе, 670Вт на ветер!
Для вашего движка у меня есть солнечный концентратор, поэтому предлагаю сделать не воздушное охлаждение, а водяное, и 670 Вт пустить в дело для горячего водоснабжения. Причем, температуру на входе можно сделать и 400 градусов, если на выходе вода закипит.
Как показывают эксперименты, нагрев головки двигателя солнечным излучением, имеет ряд особенностей по сравнению с нагревом от пламени или от раскаленных углей костра.
Как известно, существует три канала передачи тепловой энергии: конвективные потоки, теплопроводность и электромагнитное излучение. Если головка двигателя окутана углями, то в передаче тепла принимают участие все перечисленные выше процессы. А вот при нагреве от солнца самым главным полезным процессом оказывается теплопроводность через стенку цилиндра. Конвективные потоки при этом занимают откровенно вражескую позицию, так как уносят ощутимую долю, с таким трудом добытой солнечной энергии. А при температуре цилиндра свыше 400 градусов и длинноволновое излучение подключается к конвекции и начинает свою «подрывную» деятельность.
Поэтому нагреватель, «заточенный» под солнце, тоже должен быть ребристым, чтобы хоть как то воспрепятствовать конвективным потокам. Эта же ребристость несколько придушит и тепловое излучение. Не лишним будет и прозрачный колпак с низкой теплопроводностью поверх ребер. Причем он должен быть прозрачным для падающего солнечного излучения и не прозрачным для излучения самого цилиндра.
avatar
Sogokon'A

Сообщения : 221
Дата регистрации : 2010-12-07
Возраст : 66
Откуда : Харьков

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Teoretic в Вт Апр 09, 2013 12:44 pm

Sogokon'A пишет: А больше всего мне цыфырки понравились: 1 литр, 100 Вт на выходе, 1 кВт на входе, 670Вт на ветер!
Если на выходе 100 Вт, то 900 Вт на ветер!
К сожалению, физику не обманешь. Это жестокая действительность. Ну может, я слишком пессимистично
посчитал. А если получится лучше - будет сюрприз!
Sogokon'A пишет:
Для вашего движка у меня есть солнечный концентратор, поэтому предлагаю сделать не воздушное охлаждение, а водяное, и 670 Вт пустить в дело для горячего водоснабжения. Причем, температуру на входе можно сделать и 400 градусов, если на выходе вода закипит.
Весьма дельная мысль. Правда, конструкция получается - огого! Зато все тепло - в дело.
А вода закипит обязательно. Это знает каждый, кто грел воду кипятильником. Smile

К моему большому сожалению, я пока лишен возможности заниматься стирлингом практически.
Но как только,.. так сразу и начну. С 1-литрового, чтобы был практический выход, а не просто игрушка.
avatar
Teoretic

Сообщения : 108
Дата регистрации : 2011-07-08
Возраст : 57
Откуда : г. Армавир Краснодарский край

Посмотреть профиль http://bk0010.narod.ru/pashigorov/

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  alex_koa в Ср Апр 10, 2013 1:44 am

Очень хорошая статья. Автору респект. А кому нужно меньше букв, может ненужные буквы игнорировать в случайном порядке.
avatar
alex_koa

Сообщения : 161
Дата регистрации : 2011-01-03
Возраст : 39
Откуда : Volyn region, Ukraine

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Sogokon'A в Ср Апр 10, 2013 2:00 am

Teoretic пишет:
Если на выходе 100 Вт, то 900 Вт на ветер!
К моему большому сожалению, я пока лишен возможности заниматься стирлингом практически.
Но как только,.. так сразу и начну. С 1-литрового, чтобы был практический выход, а не просто игрушка.
900 Вт для нагрева воды лучше, чем 650, но для двигателя... а что поделаешь Smile

А Вы с Игорем скооперируйтесь! 100-ваттный движок ох как нужен!!! И совсем не страшно, что он будет большой и тяжелый. Я сейчас делаю такие концентраторы, что приемник излучения (он же двигатель) можно оставить неподвижным и прикованным к земле.
avatar
Sogokon'A

Сообщения : 221
Дата регистрации : 2010-12-07
Возраст : 66
Откуда : Харьков

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  georgii-2 в Ср Апр 10, 2013 1:04 pm

Да,100-ватный и более - позарез Very Happy . Представьте, на даче, в походе запитывается уйма аппаратуры. от солнца, печки, спиртовки или костра. Жаль, что закрыты видео в теме термоакустических очень эффективные варианты движков. Понимаю, скорее всего Игорь патентует их, но надеюсь приоритетные справки уже получены и можно уже обсуждать эти варианты. Практически это самый простой и соответственно дешёвый вариант универсального стирлинга. Более того, спокойно реализуется схема со встречными поршнями,т.е. уравновешенная. Жаль, у Игоря видимо проблемы со временем, надо ведь ещё и выживать.

georgii-2

Сообщения : 61
Дата регистрации : 2011-07-26
Возраст : 67
Откуда : Семипалатинск

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  rsd в Пт Апр 12, 2013 9:59 pm

Ну наконец-то появилась простая и доходчивая статья по теме, годная к применению! Спасибо большое!

rsd
Гость


Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  rsd в Пт Апр 12, 2013 10:05 pm

Ну наконец-то появилась простая и доходчивая статья по теме, годная к применению! Спасибо большое!

rsd
Гость


Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  georgii-2 в Сб Апр 13, 2013 12:58 am

Да, статья что надо. Но из нее следуют очень интересные вещи для самодельщиков.
Какова конечная ПРАКТИЧЕСКАЯ цель?
Получить электроэнергию от вполне конкретных источников тепла - печки, костра, солнечного концентратора.
Поскольку мы пока не ставим задачу получения больших мощностей, нас устраивает в качестве рабочего тела воздух под атмосферным давлением. Одновременно это даёт нам простоту, надёжность и невысокую стоимость двигателя.
Так вот, исходя из расчётов следует, все проблемы происходят от требования к системе охлаждения.
Качественный регенератор лишь уменьшает эти требования, но не настолько как хотелось бы.
Отсюда простой вывод - в моделях и практических двигателях, с рабочим телом в виде воздуха под атмосферным давлением, нет смысла его охлаждать! Его надо просто выбрасывать и закачивать следующую порцию ненагретого воздуха.
Один из вариантов, некое подобие турбореактивного двигателя - компрессор закачивает в нагреватель воздух, расширяющийся в нагревателе воздух вращает пневмодвигатель, вращающий компрессор и генератор. К сожалению готовых, подходящих машин объёмного действия, увы, нет. По крайней мере для наших мощностей порядка 10-100 вт.
Но вот объёмную машину, работающую по циклу типа цикла Ленуара, сделать нетрудно. Правда здесь мы столкнёмся с проблемой надёжных клапанов.
Как говорится - работы впереди гораздо больше, чем позади! Smile

georgii-2

Сообщения : 61
Дата регистрации : 2011-07-26
Возраст : 67
Откуда : Семипалатинск

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Teoretic в Сб Апр 13, 2013 3:24 am

georgii-2 пишет:
Так вот, исходя из расчётов следует, все проблемы происходят от требования к системе охлаждения.
Качественный регенератор лишь уменьшает эти требования, но не настолько как хотелось бы.
Отсюда простой вывод - в моделях и практических двигателях, с рабочим телом в виде воздуха под атмосферным давлением, нет смысла его охлаждать! Его надо просто выбрасывать и закачивать следующую порцию ненагретого воздуха.
По крайней мере для наших мощностей порядка 10-100 вт.
Но вот объёмную машину, работающую по циклу типа цикла Ленуара, сделать нетрудно. Правда здесь мы столкнёмся с проблемой надёжных клапанов.
Как говорится - работы впереди гораздо больше, чем позади! Smile
Ваши мысли сходятся с моими.
Не разделяя вашего пренебрежительного отношения к регенератору, полностью согласен с основной мыслью: у нас в наличии целая атмосфера планеты холодного газа.
Пока что мне не дается конструктив: нужны клапаны, какие-то дополнительные детали, обеспечивающие замену воздуха.
Но это должно окупиться полным исключением системы охлаждения - огромная выгода для мощных стирлингов!


avatar
Teoretic

Сообщения : 108
Дата регистрации : 2011-07-08
Возраст : 57
Откуда : г. Армавир Краснодарский край

Посмотреть профиль http://bk0010.narod.ru/pashigorov/

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  georgii-2 в Сб Апр 13, 2013 5:14 am

Как ни странно, хотя это уже не совсем будет стирлинг, одна из возможных конструкций потребует именно вытеснитель. Smile
Ну, а мощными они будут относительно, воздух-то под атмосферным давлением.

georgii-2

Сообщения : 61
Дата регистрации : 2011-07-26
Возраст : 67
Откуда : Семипалатинск

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Anatoly в Сб Апр 13, 2013 6:23 am

Приветствую.
Поздравляю всех присутствующих с уже прошедшим днем космонавтики!

Статья по расчету двигателя получилась отличная. Просто, и по делу. Спасибо.

Отсюда простой вывод - в моделях и практических двигателях, с рабочим телом в виде воздуха под атмосферным давлением, нет смысла его охлаждать! Его надо просто выбрасывать и закачивать следующую порцию ненагретого воздуха.

Данное решение потребует увеличения энергопотребления двигателя за цикл.
Энергия солнца бесплатна - это плюс, но для использования ее необходимо как-то "собирать".
Следовательно, предложенный вариант двигателя автоматически "обрастает" укрупненной системой "сбора" солнечной энергии, но, энергетический выход двигателя остается неизменным, - это в лучшем случае.

Не стоит забывать, что регенератор выполняет несколько функций:
1. аккумулирует часть тепловой энергии, подводимой к двигателю за цикл (это, кстати, повышает удельную мощность на единицу площади солнечного коллектора)
2. сокращает время цикла "нагрев-охлаждение" рабочего тела без дополнительного подвода тепла, что дает увеличение числа циклов в единицу времени при неизменном количестве подведенной энергии, - КПД системы выше.

В общем - регенератор и отсутствие клапанов - это, как говорится, - "наше все".



Anatoly

Сообщения : 13
Дата регистрации : 2011-02-03
Откуда : SPb

Посмотреть профиль http://www.stirlingmotors.ru

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  georgii-2 в Сб Апр 13, 2013 1:46 pm

Выброс воздуха не обязательно отменяет регенератор.

georgii-2

Сообщения : 61
Дата регистрации : 2011-07-26
Возраст : 67
Откуда : Семипалатинск

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Sogokon'A в Сб Апр 13, 2013 5:57 pm

georgii-2 пишет:
Отсюда простой вывод - в моделях и практических двигателях, с рабочим телом в виде воздуха под атмосферным давлением, нет смысла его охлаждать! Его надо просто выбрасывать и закачивать следующую порцию ненагретого воздуха.
Sogokon'A пишет:
Проходимец пишет:
megaherz пишет:http://www.google.com.ua/search?q=flame+licker&hl=ru&sa=G&biw=1366&bih=651&prmd=ivnsfd&source=univ&tbs=vid:1&tbo=u&ei=Qq8lTbHfEcSW8QOnzYD9Ag&oi=video_result_group&ct=title&resnum=2&ved=0CC8QqwQwAQ
Кто что знает об этих флэймликерах?
Принцип прост : http://www.youtube.com/watch?v=7p_1QO1iG9M&feature=related
Но эффективность низкая, как мне кажется.
Это очень интересная разновидность. Его можно сделать не «огнедышащим» а «солцедышащим». Реально достижимая температура в фокальном пятне зеркала достигает 650-700 градусов. Сделав из керамики теплоизолированную шарообразную камеру объемом около полулитра и направив туда пучок от зеркала, можно поставить, например, четыре таких движочка, работающих в противофазе. Т.е. один выдыхает и дует в пасть другому. Меня только волнует долговечность клапана, который находится в нечеловеческих условиях.
Это было сказано еще в 2011 году. Но к сказанному пока не удается добавить сделанное Sad
avatar
Sogokon'A

Сообщения : 221
Дата регистрации : 2010-12-07
Возраст : 66
Откуда : Харьков

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Teoretic в Вс Апр 14, 2013 1:42 am

Anatoly пишет:
Отсюда простой вывод - в моделях и практических двигателях, с рабочим телом в виде воздуха под атмосферным давлением, нет смысла его охлаждать! Его надо просто выбрасывать и закачивать следующую порцию ненагретого воздуха.
Данное решение потребует увеличения энергопотребления двигателя за цикл.
Это спорное утверждение.
Заменять надо воздух, который уже расширился и отдал всю свою энергию.
На этом этапе терять нам уже нечего. Smile
Но требуется практическое решение.
У меня пока в голове крутится способ, как в двухтактных двигателях: рабочий поршень, опускаясь
в нижнюю мертвую точку, открывает вначале выпускное, а затем впускное отверстие.
Вот только не всем любителям такое решение под силу.
avatar
Teoretic

Сообщения : 108
Дата регистрации : 2011-07-08
Возраст : 57
Откуда : г. Армавир Краснодарский край

Посмотреть профиль http://bk0010.narod.ru/pashigorov/

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Teoretic в Вс Апр 14, 2013 2:08 am

georgii-2 пишет:
Ну, а мощными они будут относительно, воздух-то под атмосферным давлением.
А какую мощность Вы имеете в виду?
Киловаттный стирлинг должен иметь рабочий объем около 10 л.
Это прямо-таки гигантский размер, никуда не влезет?
А 1 квт электроэнергии, например, полностью закрывает энергопотребление
небольшого жилого домика.
Плюс горячая вода в качестве бонуса.
avatar
Teoretic

Сообщения : 108
Дата регистрации : 2011-07-08
Возраст : 57
Откуда : г. Армавир Краснодарский край

Посмотреть профиль http://bk0010.narod.ru/pashigorov/

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  georgii-2 в Вс Апр 14, 2013 2:11 am

Пока, дай бог, со стоваттными разобраться, там ведь ещё электрическая часть есть.

georgii-2

Сообщения : 61
Дата регистрации : 2011-07-26
Возраст : 67
Откуда : Семипалатинск

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  georgii-2 в Вс Апр 14, 2013 2:13 am

А вот с киловаттными, как раз стоит поискать роторные объёмные машины. Т.е. компрессор-нагреватель-двигатель-генератор.

georgii-2

Сообщения : 61
Дата регистрации : 2011-07-26
Возраст : 67
Откуда : Семипалатинск

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Sogokon'A в Вс Апр 14, 2013 3:42 am

Teoretic пишет:
У меня пока в голове крутится способ, как в двухтактных двигателях: рабочий поршень, опускаясь
в нижнюю мертвую точку, открывает вначале выпускное, а затем впускное отверстие.
Вот только не всем любителям такое решение под силу.
Это уже решено. Вот парни делают двухклапанные и многоцилиндровые машинки.
http://www.youtube.com/watch?v=9Baa3PQn-aw
http://www.youtube.com/watch?v=NyljhoCdr80
http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=Cf0GtTt6b_0&feature=endscreen
http://www.youtube.com/watch?v=e3yjXSUPs84
http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=21xyKBRO_A8&feature=fvwp

avatar
Sogokon'A

Сообщения : 221
Дата регистрации : 2010-12-07
Возраст : 66
Откуда : Харьков

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Anatoly в Вс Апр 14, 2013 5:16 am

Teoretic пишет:
Anatoly пишет:
Отсюда простой вывод - в моделях и практических двигателях, с рабочим телом в виде воздуха под атмосферным давлением, нет смысла его охлаждать! Его надо просто выбрасывать и закачивать следующую порцию ненагретого воздуха.
Данное решение потребует увеличения энергопотребления двигателя за цикл.
Это спорное утверждение.
Заменять надо воздух, который уже расширился и отдал всю свою энергию.
На этом этапе терять нам уже нечего...

Если просто и эффективно решить задачу выпуска "отработанного" рабочего тела через регенератор с последующим впуском новой порции рабочего тела в двигатель (опять же через регенератор, но в направлении обратном току выпуска), - тогда да, все верно - ничего не теряется.

Не стоит забывать, что с увеличением общего объема двигателя роль регенератора в получении более высокого КПД весьма возрастатет.

Anatoly

Сообщения : 13
Дата регистрации : 2011-02-03
Откуда : SPb

Посмотреть профиль http://www.stirlingmotors.ru

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  georgii-2 в Вс Апр 14, 2013 12:54 pm

Флэймфликеры, это машины атмосферного действия, такие же как и паровые атмосферные машины. Т.е в них используется для рабочего хода не давление нагретого рабочего тела, а разница давлений между охлаждённым рабочим телом и атмосферой. А нам надо использовать именно давление рабочего тела, причём желательно не по циклу Ленуара.
Например - сжатие-охлаждение в интеркулере-предварительный нагрев выпущенным отработанным воздухом или регенератором-нагрев от источника тепла-расширение-выпуск.
Ну и наконец, обычный турбореактивный двигатель поначалу работал с Т - 900 гр. Просчитать бы, заработают обычные крыльчатки от печки Smile ?


Последний раз редактировалось: georgii-2 (Вс Апр 14, 2013 3:36 pm), всего редактировалось 1 раз(а)

georgii-2

Сообщения : 61
Дата регистрации : 2011-07-26
Возраст : 67
Откуда : Семипалатинск

Посмотреть профиль

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Элементарная теория и расчет стирлинга

Сообщение  Спонсируемый контент


Спонсируемый контент


Вернуться к началу Перейти вниз

Страница 1 из 5 1, 2, 3, 4, 5  Следующий

Предыдущая тема Следующая тема Вернуться к началу


 
Права доступа к этому форуму:
Вы не можете отвечать на сообщения