Насос Стирлинга для дачи

Насос Стирлинга, который сделан на основе двигателя с тем же именем в названии, можно использовать для капельного полива огорода. Такой способ орошения без электроэнергии пригодится на тех участках, где не проведено электричество. Для его работы требуется только солнечное тепло, которое принимает солнечный концентратор, нагревающий двигатель Стирлинга. Разные модели таких концентраторов и двигателей вы найдете на нашем сайте. Концентратор, который работает в представленном насосе, способен обеспечивать температуру до 200-300 градусов.

Насос на основе двигателя Стирлинга – простейший водяной насос, который работает по известной схеме. Составлен из двух трубок. По одной трубе вода поднимается в нагреватель, а по другой вытесняется и перекачивается в нужное место. На трубках внизу стоит впускной и выпускной клапан.

Работа насоса происходит циклично. Нагреваясь воздух давит на воду, как на водяной поршень и перемещает ее вниз. Далее поступает туда, где была холодная вода, охлаждаясь, снова возвращается. Насосы от 500 рублей в китайском интернет-магазине.

А за основу в качестве моторной части насоса Стирлинга вполне подойдет этот солнечный движок Стирлинга, кстати, изготовленный тем же инженером.

Автор покажет, над чем он работал почти 2 месяца в свободное от основной работы время. Это вот низкотемпературный двигатель довольно-таки большой мощности, работающий на энергии Солнца. Верхняя часть будет покрашена черным цветом для лучшего нагрева. Снизу будет размещаться водяное охлаждение и собственно водяной насос. Пока он не поставлен, на видео показано тестирование установки. Пришлось много повозиться с качественной работой вытеснителя, чтобы он двигался равномерно.
Нагрев феном сверху имитирует нагрев солнечным светом. Когда верх прогреется до 70-80 градусов, он сам запустится.
Видно, как перемещается вытеснитель. Самое тяжелое при разработке модели было обеспечение работы мотора через перемещение вытеснителя на большой площади. Остается поставить снизу водяное охлаждение и установить водяной насос.

Тепловой насос на базе двигателя стирлинга

Тепловые стирлинг насосы — пожалуй правильный шаг в развитии сберегающих технологий. Они позволяют не только экономить электроэнергию или сжигаемое топливо, но и оказывают минимальные негативные эффекты на окружающую нас среду. А представляют они собой обычный холодильник из двигателя Стирлинга .

Принцип работы прост. Если к двигателю стирлинга приложить механическую энергию, то т.н. горячий цилиндр будет охлаждаться, а холодный нагреваться, преобразуя низко потенциальное тепло (из охлаждаемой части) в тепло с более высокой температурой. Температура этой охлаждённой части может опускаться до -273°С (теоретически). Практически же удаётся легко достигать значений -190°С и ниже.

Если «насильно» нагревать охлаждённую часть цилиндра, то горячая сторона будет ещё больше нагреваться, пытаясь преобразовать тепло, подводимое к охлаждённому участку. Это называется перенос тепла от «источника» к «потребителю». Получается, что мы ещё больше отбираем тепло у холодного источника, делая его ещё холоднее и передаём это тепло к потребителю, делая его ещё горячее. Это даёт нам прекрасную возможность использовать низко потенциальную энергию (воздух, вода, грунт, сточные воды и т.п.) для нагревания чего либо. Например, температура грунта является практически постоянной величиной. В средней полосе России она колеблется от 4 до 8 градусов. Т.е. нагревая замерзающую часть цилиндра теплотой, запасённой в земле, мы можем температурой в горячей части двигателя обогревать своё жилище. Вкратце это и есть суть теплового насоса из Стирлинга и вообще любого теплового насоса.

Тепловой насос Стирлинга

На сегодняшний день на базе двигателя Стирлинга практически не производят тепловых насосов для бытовых нужд. Их преимущественно делают при помощи компрессоров с газами, обладающими способностью сжижаться при невысоких давления. Это различные марки фреонов, аммиак, углекислота и т.п.

Эффективность теплового насоса характеризуется коэффициентом трансформации энергии (переноса тепла). Для быстрой оценки можете воспользоваться калькулятором т.н. КПД ( здесь ). Для примера, температура грунта равна 4°С, а температура для нагрева требуется 70°С. По калькулятору мы получаем эффективность преобразования почти 420%. Это означает, что приложив 1 кВт энергии для переноса тепла от низко потенциального источника (в нашем случае от грунта), мы получим выделение 4,2 кВт тепловой энергии. Заметьте, чем меньше разница температур, тем больше эффективность. А те, кто снова задумался над вечным двигателем, советую прочитать пост Некоторые заблуждения относительно Двигателей Стирлинга .

На практике же всё не так уж радужно. У каждого устройства есть как свои достоинства, так и свои недостатки. У тепловых насосов есть много различных потерь, которые в сумме очень существенно снижают эффективность устройства.

1. Потери в электродвигателе. Механическое усилие осуществляют обычно электрическими двигателями. Их КПД у самых мощных экземпляров достигает 95%. У менее мощных эта величина редко превышает 80%.
2. При переходе газа в жидкость и при переходе из жидкости в газ рабочее тело безвозвратно тратит приложенную для этого процесса энергию.
3. Трение в поршневой группе. Для повышения компрессии приходится вводить различные схемы уплотнений. Это заставляет тратить нашу прилагаемую энергию не только для осуществление сжатия рабочего тела, но и на преодоление силы трения уплотнений.
4. Тепловые потери. Используемые материалы имеют теплопроводность. Там где нужно сберегать тепло, они его «сбрасывают» в окружающую среду, там где нужно его сбрасывать, они делают это не так быстро как хотелось бы. То же самое касается и холодной части теплового насоса.
5. Гидравлические потери. Каждый газ или жидкость имеют свою вязкость. Это свойство рабочего тела заставляет нас тратить энергию на преодоление вязкости. А при увеличении скорости движения рабочего тела силы на преодоление вязкости возрастают в экспоненциальной форме. Гидравлические потери заложены и в перекачке жидкости по контуру низко потенциального тепла и по нагреваемому контуру.
6. Механические потери. Конструкция любого двигателя не является совершенством. Неуравновешенность и дисбалансы в движимых частях также негативно влияют на КПД механической части компрессоров.

В общем и целом все эти суммарные потери в тепловых насосах называют степень термодинамического совершенства и обозначают это коэффициентом h. Для устройств мощностью до 3 кВт h = 0,35 максимум. В более современных и дорогих разработках удаётся значительно увеличить это значение. Это значит, что для нашего примера (где мы получили 420% эффективности) реальная эффективность будет максимум 147% (420*0,35). Для более мощных установок h=0,5 . Т.е. и эффективность здесь будет на уровне 210%. На практике же редко используют такие высокие температуры нагревания. Обычно не выше 55°С. При такой температуре теоретическая эффективность будет 543%, а реальная эффективность для маломощного теплового насоса составит около 200%. Т.е. затратив 1 кВт электроэнергии вы получите 2 кВт тепла. Также для увеличения эффективности следует стремиться к увеличению температуры источника тепла (грунта, воды, воздуха). Из-за низких температур земли во многих широтах нашей страны не выгодно использовать тепловые насосы для обогрева жилища, особенно на территориях с вечной мерзлотой.

Стирлинг для отопления

Что нас манит в производстве холодильников на основе двигателей Стирлинга? В первую очередь мы лишаемся некоторых недостатков, а именно потери на испарение и конденсацию. Двигатель стирлинга работает по циклу Карно, а это самый эффективный цикл преобразования тепловой энергии. Также различные технологические ухищрения могут повысить степень термодинамического совершенства. К примеру — конфигурация двойная гамма . Она почти в двое может снизить потери на трение. Вместо фреонов и других опасных рабочих тел в стирлингах мы можем использовать любой безопасный газ: воздух, углерод, азот, гелий и водород. Конечно расплатой за это будет высокие значения давлений рабочих газов, доходящих до 100 атмосфер и больше.

Многие компании, производящие бытовые холодильники и тепловые насосы пытались и пытаются сделать эффективный, надёжный и безопасный холодильник Стирлинга и даже в 2004 году фирма LG сделала громкое заявление, что вот вот начнёт производство холодильников на основе этого самого эффективного устройства. Но как-то до сих пор они не появились. А посему становится ясно, что удел изобретению г-на Стирлинга это узкоспециализированное применение. Применение, где финансовая сторона не играет определяющей роли, а важны надёжность, высокая эффективность и универсальность.

А кому интересны данные темы, предлагаю подписаться на новые статьи (в правом сайтбаре).

Будущее! двигатель Стирлинга в отоплении и электроснабжении дома

Немцы еще лет десять назад сделали установку Viessmann Vitotwin в состав которой входит двигатель стирлинга — получая с него 1 кВт электроэнергии на нужды Вашего дома и 6 кВт тепловой энергии на отопление. В ней же установлен конденсационный котел Viessmann Vitodens 200.

К сожалению такое оборудование в Россию не поставляется. Наши законы и не позволяют как немцам продавать электроэнергию от частника к государству.

Сама работа установки завораживает:

Работа самой установки совместно с котлом:

Учитывая компактность и возможности установки, вполне реально делать независимые энергоцентры не большой мощности — газовые модульные котельные . При этом размещая их хоть на крыше, хоть пристроенными к дому или предприятию.

Также установка будет более интересна при использовании разного вида топлива, возможна полная автономность котельных. В США уже работает солнечная электростанция с двигателем Стирлинга на 150 кВт, в Швеции подводные лодки ходят на данных двигателях. Его эффективность признана и применяется во многих сферах.

Будем надеяться в будущем двигатель Стирлинга дополнит традиционное отопление и электрогенерацию.

Как построить эффективный тепловой насос Стирлинга?

Двигатели или тепловые насосы Стирлинга — это системы, которые могут работать при невероятно малой разности температур. Некоторым вариантам двигателей Стирлинга для работы достаточно даже тепла человеческого тела. В статье мы рассматриваем динамику этой интересной машины, которую можно построить в домашних условиях, и показываем, как создать её модель в COMSOL Multiphysics.

Современные применения старой идеи

Сначала немного истории двигателя Стирлинга. Разработанный два века назад в 1816 году Робертом Стирлингом двигатель в то время называли «двигателем будущего». Хотя эта технология так и не стала действительно популярной, двигатели Стирлинга широко используются во многих современных прикладных задачах. Например, солнечный вариант двигателя Стирлинга непосредственно преобразует солнечное тепло в механическую энергию, которая в свою очередь приводит в движение генератор и производит электричество. Кроме того, этот же подход используется для получения энергии из геотермальных источников и тепловых сбросов промышленных предприятий. Вероятно, самая удивительная область, в которой нашли свое применение двигатели Стирлинга — это шведские подводные лодки; в них двигатели Стирлинга обеспечивают тягу даже без доступа к воздуху.

От тепловой энергии к механической работе

Мы рассказали о некоторых применениях двигателей Стирлинга, но каков же принцип работы этого устройства? В двигателе Стирлинга тепловая энергия преобразуется в механическую работу в ходе циклического процесса. Детали реализации могут отличаться, но основной принцип остается неизменным. Рабочее тело проходит через четыре процесса: охлаждение, сжатие, нагрев и расширение. Теплота переносится газом от горячей стороны двигателя к холодной. КПД двигателя не превосходит КПД цикла Карно.

В отличие от обычных двигателей, двигатели Стирлинга не требуют для своей работы высоких температур. Некоторые двигатели успешно работают при небольшой разности температур между горячей и холодной сторонами. Кроме того, для них характерен очень низкий уровень шума и соответствующих потерь энергии, поскольку в рабочем процессе не происходят взрывы и не выделяются выхлопные газы. В то же время двигатели Стирлинга лучше всего подходят для прикладных задач, в которых требуется обеспечить постоянную мощность, поскольку динамически регулировать их мощность чрезвычайно сложно. Это, вероятно, самая главная причина, по которой мы до сих пор не управляем автомобилями с двигателями Стирлинга.

Двигатель Стирлинга, работающий от тепла человеческой ладони. (Изображение «Двигатель Стирлинга, который работает только от разности температур между окружающим воздухом и ладонью». Собственная работа участника Arsdell. Доступно по лицензии Creative Commons «Атрибуция — На тех же условиях» 3.0 на Викискладе).

Как построить свой собственный двигатель Стирлинга

Если у вас есть опыт ручной работы, вы можете сами собрать двигатель Стирлинга в домашних условиях даже без профессиональных инструментов и соответствующего опыта. На YouTube вы можете найти несколько видеоуроков и пошаговых руководств по сборке двигателя. Самый простой вариант можно собрать из банки из-под колы и других ненужных в хозяйстве вещей.

Конечно, КПД такого двигателя Стирлинга вряд ли будет оптимальным. Более подходящим решением является создание численной модели двигателя.

Моделирование теплового насоса Стирлинга в COMSOL Multiphysics

С помощью численной модели двигателя Стирлинга мы можем подобрать и испытать различные сочетания материалов и настройки параметров. Процесс описывается уравнениями теплопередачи и гидродинамики, а для упрощенного описания механической составляющей процесса достаточно решить дополнительное обыкновенное дифференциальное уравнение — уравнение движения.

Двухмерная осесимметричная модель состоит из основного цилиндра, который содержит рабочее тело (воздух) и поршень. В малом цилиндре вверху расположен приводной поршень. Оба поршня соединены параллельно и двигаются на коленчатом валу, на котором они разнесены по фазе на 90°. Коленчатый вал в модель не включен. Такой вид двигателя Стирлинга называется гамма-конфигурацией.

Модель теплового насоса Стирлинга.

Здесь задача теплопередачи в рабочем газе уже решена. Механическая сторона процесса реализуется с помощью подвижной сетки (ALE). Вытеснитель и приводной поршень могут свободно двигаться в направлении z. Установленное смещение соответствует режиму теплового насоса. При этом механическая работа используется для передачи тепловой энергии в направлении, противоположном направлению самопроизвольной передачи теплоты. Обратный процесс — собственно работу двигателя Стирлинга — можно моделировать, используя источник тепла и рассчитывая конечные силы давления на приводной поршень и вытеснитель. В любом случае, система проходит цепочку процессов, которые соответствуют четырем стадиям цикла Карно:

Термодинамические процессы, действующие на рабочее тело.

КПД такого цикла далек от цикла Карно, но полученный график зависимости давления от объема, который вы видите ниже, совпадает с экспериментальными данными.

График зависимости давления от объема в цикле Стирлинга.

Основное преимущество модели заключается в том, что мы можем изучать физические явления в тепловом насосе. Например, представленное ниже анимированное изображение показывает распределение скоростей во время работы теплового насоса.

Распределение скоростей во время работы теплового насоса.

Поршень передает механическую энергию, требуемую для перекачки тепла, а значит, мы можем изучить динамическое распределение температуры во время работы теплового насоса.

Анимация, показывающая распределение температуры.

Увеличение КПД

Чтобы увеличить КПД двигателя Стирлинга, необходимо максимизировать площадь замкнутой области на графике «давление-объем» (pV-диаграмме). Эта площадь соответствует работе, совершенной двигателем. Общий КПД двигателя можно увеличить несколькими способами. Выбор в качестве рабочего тела газа с высокой удельной газовой постоянной (например, с малой молярной массой) максимизирует работу, которую может произвести двигатель в процессе изотермического расширения. Поэтому в качестве рабочего газа обычно используют водород или гелий. Кроме этого, можно максимизировать передачу тепла через вытеснитель, используя пористый вытеснитель-регенератор (см. эту статью).

Рубрики блога

Я соглашаюсь с тем, что COMSOL будет собирать, хранить и обрабатывать мои персональные данные согласно моим настройкам и Политике конфиденциальности COMSOL . Я соглашаюсь получать электронные письма от COMSOL AB и его аффилированных компаний о блоге COMSOL. Это согласие может быть отозвано.