Возможности использования двигателя Стирлинга в Украине

Применение когенерационной установки на основе двигателя Стирлинга на нашем рынке стало возможным после ее усовершенствования с добавлением новых источникв питания: сжиженоого газа, биогаза и газа сточных вод. Использование установки V161 дает возможноть получать 9 кВт электричества и до 26 кВт тепла. Сфера использования для децентрализованного производства энергии  в качестве автономного и безшумного  источника.

Может потреблять газы низкой теплотворной способности от очистки сточных вод, свалочный газ, биогаз,

Когенерационная установка на двигателе Стирлинга работающая на сжиженным газе или на природном газе применяеться  как источник электричества и тепла для котеджей, гостинниц, небольших производственных помещений, плавательных бассейнов., где нету или невозможно подключиться к энергетическим сетям.                                                                                                                                                     Сервисное обслуживание обладает большими, по сравнению с двигателем внутреннего сгорания, интервалами между 4 000 - 6 000 часов работы.

Немного истории

Первые элементарные двигатели внешнего сгорания были известны ещё в конце XVII века, однако впервые их запатентовал в 1816 году  шотландский священник Роберт Стирлинг - Robert Stirling , как альтернативу паровым машинам,котлы которых были опасны, так как часто взрывались из-за слишком высокого давления или некачественных материалов

В начале ХІХ столетия двигатель Стирлинга был признан самой надежной паровой машиной, которая никогда не взрывается, как это довольно часто случалось с другими типами паровых двигателей. И вдобавок существенным его преимуществом была бесшумность.

На 1908 год конструкционное совершенство двигателя Стирлинга разрешила ввести его во многих областях техники и экономики: для привода ткацких станков, вращение лопастных колес судов, подачи воздуха к церковным органам. Их применяли даже на молокозаводе во время производства сыра и в парикмахерской для вращения щипцов для завивки волос.

Несмотря на такой успех, к 20-ым годам ХХ столетия развитие Стирлинг-технологий прекратилось. Двигатели, которые выпускали в значительном количестве к первой мировой войне, в конце концов, были недостаточно экономическими, прежде всего из-за отсутствия пригодных для их изготовления материалов. Поэтому появление накануне войны электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания (далее – ДВС), что были более экономическими и компактными, воспрепятствовала дальнейшему развитию двигателей Стирлинга.

C 1937 года Стирлинг-технологии начала развивать компания «Филипс», с 1968 года шведская фирма «Юнайтинг Стирлинг»  Потом с 1974 года к двигателям внешнего сгорания вернулись «Дженерал Моторс»,  Последние годы опять  стала появляться информация о двигателях Стирлинга, из которой стало ясно, что сегодня технология изготовления машин Стирлинга за рубежом полностью освоена. Решены проблемы уплотнений двигающихся деталей, выбора материалов, пайки теплообменников и т.д.Можно сказать, что через сто лет  двигатель Стирлинга возвращаеться в Украину, как когенерационная установка  на основе двигателя Стирлинга  V161

 Актуалии

Последние два десятка лет рименение двигателей и криогенных машин Стирлинга для военных целей уже стало традиционным: на танках и самолетах необходимо было устанавливать высокочувствительные датчики и приемники, охлаждаемые до температуры -200°С  для  переконденсация низкокипящих жидкостей, охлаждение детекторов инфракрасного излучения. В МВФ Швеции, Дании, Норвении и Японии  в подводных лодках  IV поколения использование двигателей Стирлинга для анаэробных систем автономного энергоснабжения дает возможность лодке находиться под водой до 20 суток без всплытия для подзарядки батарей и по многим показателям превосходит атомную подводную лодку. Уже начат проект подлодки V поколения, который по сообщеию Defence Talk, получил код A26 Новая шведская подлодка будет дизель-стирлинг-электрической. Эта характеристика будет унаследована у подводных лодок предыдущего поколения типа Gotland. Эти лодки стали первыми в мире, использующими воздухонезависимый двигатель Стирлинга. Предположительно, A26 сможет развивать скорость до 20 узлов и до пяти узлов только с применением двигателей Стирлинга

В гражданском применении перспективными направлениями считаются применение холодильных машин Стирлинга на уровне умеренного холода для хранения пищевых продуктов и систем кондиционирования воздуха. Теоретические расчеты довели, что сравнительно с ДВС, при условии применения современных материалов, он выиграет за экономическими и экологическими показателями  Но особенны ценны чистота выхлопа, бесшумность и высокий КПД установок цикла Стирлинга в когенерационных установках, тепловых насосах и в системах децентрализованного теплоснабжени  Поэтому возможно, что вскоре двигатель Стирлинга придет в многие дома Украины  как производящий электричество и тепло когенерационный двигатель или элемент системы отопления. Двигатель Стирлинга может быть использован в будущих аппаратах искусственного сердца как механизм, преобразующий тепловую энергию изотопного топлива в механическую энергию.

Теория

Двигатель Стирлинга – это поршневой двигатель с внешним подводом теплоты от любого источника, в котором рабочее тело находится в закрытом контуре и его химический состав, во время работы двигателя, не изменяется. Теоретическая эффективность использования теплоты в двигателе Стирлинга отвечает наилучшим образцам ДВС, но практически обеспечить высокий КПД двигателя Стирлинга возможно только при наличии эффективного регенератора, который утилизирует теплоту.

Рабочий цикл машины Стирлинга состоит из двух изотерм (линий постоянной температуры) и двух изохор (линий постоянного объема).

Роберт Стирлинг Robert Stirling   

  Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Стирлинг родился 25 октября 1790 года в Шотландии. Он был третьим ребёнком в семье, а всего детей было восемь. От отца он унаследовал интерес к конструированию техники, но изучал богословие и стал священником Шотландской Церкви в местечке Лайф Кирк в 1816 году. Стирлинг был весьма обеспокоен травматизмом рабочих, работающих в его приходе с паровыми двигателями. Эти двигатели часто взрывались из-за низкого качества железа, из которого они изготавливались. Более прочного материала в те годы не существовало. Стирлинг решил усовершенствовать конструкцию воздушного двигателя в надежде на то, что такой двигатель будет более безопасным.

Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом тепла». В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Двигатель Стирлинга не может взорваться, потому что работает при более низком давлении, чем паровая машина, и не может причинить ожоги паром. В 1818 он построил первый практичный вариант своего двигателя и использовал его в насосе для откачки воды из карьера.  В 1827 и 1840 годах он получает еще два патента на усовершенствованные варианты своей машины. А в 1845 году на литейном заводе в Дании была пущена машина Стирлинга мощностью 50 индикаторных лошадиных сил, проработавшая в течение трех лет. Стирлинг умер в Галстоне, Шотландия в 1878 году.

Как это работает

Одна из возможных конструкций двигателя Стирлинга – это расположение цилиндров под углом 90°, как изображено на рисунке.

Один цилиндр нагревается внешним источником тепла (например, огнем), а второй охлаждается. Цилиндры заполнены газом и соединены друг с другом, а их поршни механически связаны с помощью устройства, обеспечивающего определенный порядок их движения.

Горячая полость соединена с холодной через регенератор и охладитель. Регенератор является тепловым аккумулятором, предназначенным для предотвращения потерь теплоты. Он воспринимает теплоту рабочего тела при перетекании из горячей области в холодную и отдает ее при обратном перетекании рабочего тела. Материал регенератора должен иметь высокую теплоемкость и низкую теплопроводность, во избежание передачи теплоты к охладителю. Охладитель воспринимает основную часть теплоты, которая отводится от рабочего тела, которое обусловлено закрытым циклом двигателя Стирлинга.

Установка Стирлинга V161 CleanergyAB

Технические характеристики