Модернизация теплового модуля для двигателя Стирлинга

В настоящее время активно развивается направление по созданию экологически чистых регенеративных источников энергии и их преобразователей. Двигатель Стирлинга — тепловая машина с замкнутым термодинамическим регенеративным циклом, в котором циклические процессы сжатия и расширения осуществляются при различных уровнях температуры, а управление потоком рабочего тела происходит путем изменения его объема. На этом принципе основано превращение теплоты в работу, и наоборот. В качестве рабочего тела в двигателях могут служить воздух, водород, гелий и др. При использовании углеводородных топлив такие двигатели отличаются низким содержанием токсичных составляющих отработавших газов. Двигатели Стирлинга могут длительное время работать автономно в энергосистемах при отсутствии атмосферного воздуха (в космических или подводных условиях) [1–4].

Двигатель Стирлинга имеет ряд преимуществ [1, 2, 5]:

• универсальность — может работать при почти любом перепаде температур: например, между разными слоями воды в океане, от энергии Солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.;
• простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач.
• увеличенный ресурс — простота конструкции позволяет обеспечить хороший запас работоспособности в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы;
• экономичность — для утилизации некоторых видов тепловой энергии, особенно при небольшой разнице температур. В случае преобразования в электричество солнечной энергии двигатель достигает КПД до 31,25 %, чем тепловые машины на пару.
• экологичность — не имеет выхлопа из цилиндров, а поэтому уровень его шума гораздо меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания. β-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и имеет предельно низкий уровень вибраций: амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм. Двигатель Стирлинга не загрязняет окружающую среду, так как не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла.
• малая шумность — такое качество очень важно на подводных лодках. Такие недостатки, как высокий удельный вес и большая рассеиваемая теплота, там менее важны, поскольку двигатель в общей массе подводной лодки имеет небольшой процент, а теплота передаётся теплообменником через прочный корпус, не требуя радиаторов и вентиляторов. Двигатель Стирлинга получил широкое распространение на подводных лодках.

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

• громоздкость и материалоёмкость — основной недостаток поршневых двигателей внешнего сгорания. Двигатель Стирлинга всю теплоту отдаёт в систему охлаждения (не имеет выхода горячих газов), и требует по сравнению с обычным автомобильным двигателем удвоенного по производительности радиатора. Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и особые виды рабочего тела — водород, гелий;
• тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогостоящих материалов. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно откликается на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

В данной работе рассматривается принцип работы экологически чистого теплового двигателя, в котором осуществляется процесс преобразования тепловой энергии в механическую, представлена разработка двух тепловых модулей, позволяющих привести рабочее тело двигателя Стирлинга в движение, за счет энергии солнца и электричества. Подробно рассмотрены различные варианты нагрева рабочего тела двигателя Стирлинга с целью обеспечения стабильной работы двигателя. Предложены различные варианты термомодулей.

На рис. 1 показан внешний вид термомодуля, который изготовлен из меди. На рис. 2 показан внешний вид установки «Двигатель Стирлинга с термомодулем».

Для нагрева рабочего тела двигателя использовались два вида тепловых модулей.

«Модуль 1» (см. рис. 1, 2) приводили в контакт со стеклянным цилиндром, в котором находилось рабочее тело, а нагрев самого модуля осуществляли от лампы накаливания с люминофорным покрытием. В качестве материала для «Модуля 1» были выбрана медь (марка М1М и М0.5Т), поскольку по теплопроводности данный металл уступает лишь серебру.

Второй вариант эксперимента — «Модуль 2». В этом случае нагрев рабочего тела осуществлял нагревательный элемент, представляющий собой керамический конус с обмотанной вокруг него спиралью из проволоки с большим сопротивлением (рис. 3).  Элемент рассчитан на сеть с напряжением 220 В. Мощность 500 Вт.

Под данный элемент был выбран соответствующий цоколь и рефлектор. Цоколь нужен обязательно керамический, поскольку пластиковый не выдержит такой тепловой нагрузки. Цоколь стандарт Е27. Рефлектор выбирали по тому же самому принципу, материал должен выдержать тепловую нагрузку от нагревательного элемента.

На рис. 4 показан термодинамический цикл двигателя Стирлинга, рабочим телом которого служит воздух.

Перспективы данной установки лежат преимущественно за пределами атмосферы, где солнце от изготовленной детали отделяет вакуум, и ничего не препятствует передаче энергии. Двигатель Стирлинга не требует смены топлива, что крайне важно при работе в космическом пространстве, ведь каждый килограмм или литр топлива нужно поднимать с Земли. Это экономически не выгодно, но на данный момент альтернатив нет.

Эффективно можно использовать данный двигатель на Луне. Одну часть емкости с рабочим телом заглубить в грунт, а другую часть направить к Солнцу. Это обеспечит оптимальную разность температур. В случае открытого космоса стоит вопрос о теплоотводе. Одним из вариантов решения проблемы (помимо громоздких радиаторов) является система капельного охлаждения (капельный холодильник-излучатель) представленная МФТИ в 2015 г. на Международном аэрокосмическом форуме (МАКС 2015).