Парадокс - как «Филлипс» дала новую жизнь старой технологии, тем самым "похоронив" ее на полвека
Не так давно я уже поднимал тему двигателей Стирлинга, в связи с появлением новой идеи в этой области (использования принудительной конвекции, предложенной автором идеи - http://zayvka2016131416.blogspot.ru/). Но, разбираясь дальше в конструкторских решениях, появившихся со времен создания первого двигателя Стирлинга, я заметил, что все «перспективные» разработки в этой области базируются на идее применения трубчатых теплообменников, расположенных за пределами цилиндра, предложенной фирмой Филлипс более 50 лет назад.
При описании двигателя Филлипс мало кто затрудняет себя анализом процессов происходящих в нем. А ведь эти процессы имеют мало общего с циклом Стирлинга. И даже идеальный КПД такого двигателя почти в 1,5 раза ниже идеального КПД цикла Стирлинга! Вот отсюда и берутся ложные утверждения, которые порой встречаются, что КПД цикла Стирлинга 60-70 % от цикла Карно. Нет! КПД цикла Стирлинга равен КПД цикла Карно и является максимальнымдля каждой определенной температуры нагревателя и холодильника. А 60-70% «от Карно», это КПД двигателей с трубчатыми нагревателями.
Разумеется, инженеры Филлипс, на тот момент смогли совершить прорыв. Ведь теперь весь газ контактировал со стенками трубок, проходя по ним, а не малая его часть у стенок цилиндра, при нагреве в цилиндре. Как любят писать в статьях о «стирлингах», это «в первых же экспериментальных образцах позволило достигнуть КПД 39%». Но дело в том, что большего КПД так и не удалось достичь. Более того, самый высокий КПД двигателей Стирлинга, выпускаемых сейчас - 31% (модель V4-90 на солнечных электростанциях компании United Sun Systems). И это, при температуре нагревателя 800 С, при которой КПД цикла Стирлинга более 70%.
Так чем же процессы, происходящие в двигателе с трубчатыми нагревателями, отличаются от цикла Стирлинга? Предлагаю еще раз вспомнить процессы в цикле Стирлинга:
1. Газ нагревается от регенератора при постоянном объеме, когда перемещается от холодильника к нагревателю. При этом в нем повышается давление пропорционально увеличению температуры.
2. Газ расширяется, падает давление, а постоянно подводимое тепло препятствует быстрому падению давления. Это изотермическое расширение, когда температура поддерживается постоянной, а объем растет и давление падает. В отличии от адиабатного расширения (без теплообмена со средой), при котором падает и температура, при изотермическом расширении выполняется наибольшая работа газа.
3. Газ охлаждается при постоянном объеме, отдавая энергию регенератору. Уменьшается давление.
4. Газ сжимается поршнем и одновременно охлаждается - изотермическое сжатие, при котором работа над газом выполняется минимальная. В отличии от адиабатного, при котором увеличивается температура, что требует большей работы сжатия, так как приходится противодействовать росту давления вызванному повышением температуры.
А теперь о том, что происходит при применении трубчатых нагревателей.
Для простоты возьмем вариант с нагревателем определенной температуры (например, жидкость от теплового коллектора солнечной электростанции) и с объемом нагревательных трубок гораздо меньше объема цилиндра:
1. Газ нагревается в регенераторе до температуры нагревателя и повышается давление.
2. Газ проходит через трубки теплообменника не нагреваясь в них, так как он уже имеет температуру нагревателя.
3. Газ расширяется адиабатно и охлаждается в процессе расширения. При этом, как я уже писал выше, выполняется меньшая работа, чем при изотермическом расширении.
4. Газ вытесняется в холодную часть цилиндра, вначале нагреваясь в теплообменнике, затем охлаждаясь в регенераторе. В трубках холодильника теплообмен не происходит.
5. Газ сжимается адиабатно, нагреваясь из-за сжатия. Затрачивается большая работа на сжатие, чем при изотермическом процессе.
6. Газ вытесняется в горячую область, охлаждаясь в холодильнике перед нагревом в регенераторе.
Получается, что изотермы цикла заменены на адиабату+изохору. В результате, газ выполняет меньшую работу при расширении и требуется больше работы на его сжатие. В итоге КПД (который и есть отношение затраченной работы к выполненной) гораздо меньше цикла Стирлинга - если в численном выражении, то почти в 1,5 раза. Например, при температуре горячей области 600 С, а холодной 20 С, идеальный КПД цикла Стирлинга - 66%, а идеальный КПД такого двигателя 42%.
Если температура источника тепла выше рабочей температуры двигателя (пламя), то процессы идут несколько сложнее, но результат тот же.
Если объем трубок теплообменников сравним или больше объема цилиндра, то процесс частично перейдет в изотермы (в трубках в изотермы, в цилиндре адиабаты), но вырастет «мертвый объем», который всегда является помехой КПД. И хотя иногда это может увеличить КПД по сравнению с «малообъемным» теплообменником, но всего лишь на пару процентов.
Вот и получилось, что совершив некоторый прорыв в «стирлингостроении», фирма Филлипс направила всех по тупиковому пути развития этих двигателей. А если говорить точнее, то произошла подмена понятий и «стирлингами» стали называть двигатели, имеющие к ним весьма отдаленное отношение. Но при этом, все привыкли приписывать недостатки данного решения самим двигателям Стирлинга.
Но, с другой стороны, складывается весьма интересная ситуация - сейчас у «доморощенного Кулибина» имеется шанс прославиться созданием, почти в гаражных условиях, двигателя имеющего КПД выше промышленных образцов. Разумеется при правильном подходе к качеству изготовления и учитывая все наработки и идеи, имеющиеся в этой области в данный момент. В первую очередь отказ от нагрева/охлаждения за пределами цилиндра и создание принудительной конвекции внутри областей нагрева и охлаждения - только в этом случае можно достичь именно изотермического расширения/сжатия, так как обеспечивается равномерный теплообмен во всем объеме газа при его сжатии/расширении.
При описании двигателя Филлипс мало кто затрудняет себя анализом процессов происходящих в нем. А ведь эти процессы имеют мало общего с циклом Стирлинга. И даже идеальный КПД такого двигателя почти в 1,5 раза ниже идеального КПД цикла Стирлинга! Вот отсюда и берутся ложные утверждения, которые порой встречаются, что КПД цикла Стирлинга 60-70 % от цикла Карно. Нет! КПД цикла Стирлинга равен КПД цикла Карно и является максимальнымдля каждой определенной температуры нагревателя и холодильника. А 60-70% «от Карно», это КПД двигателей с трубчатыми нагревателями.
Разумеется, инженеры Филлипс, на тот момент смогли совершить прорыв. Ведь теперь весь газ контактировал со стенками трубок, проходя по ним, а не малая его часть у стенок цилиндра, при нагреве в цилиндре. Как любят писать в статьях о «стирлингах», это «в первых же экспериментальных образцах позволило достигнуть КПД 39%». Но дело в том, что большего КПД так и не удалось достичь. Более того, самый высокий КПД двигателей Стирлинга, выпускаемых сейчас - 31% (модель V4-90 на солнечных электростанциях компании United Sun Systems). И это, при температуре нагревателя 800 С, при которой КПД цикла Стирлинга более 70%.
Так чем же процессы, происходящие в двигателе с трубчатыми нагревателями, отличаются от цикла Стирлинга? Предлагаю еще раз вспомнить процессы в цикле Стирлинга:
1. Газ нагревается от регенератора при постоянном объеме, когда перемещается от холодильника к нагревателю. При этом в нем повышается давление пропорционально увеличению температуры.
2. Газ расширяется, падает давление, а постоянно подводимое тепло препятствует быстрому падению давления. Это изотермическое расширение, когда температура поддерживается постоянной, а объем растет и давление падает. В отличии от адиабатного расширения (без теплообмена со средой), при котором падает и температура, при изотермическом расширении выполняется наибольшая работа газа.
3. Газ охлаждается при постоянном объеме, отдавая энергию регенератору. Уменьшается давление.
4. Газ сжимается поршнем и одновременно охлаждается - изотермическое сжатие, при котором работа над газом выполняется минимальная. В отличии от адиабатного, при котором увеличивается температура, что требует большей работы сжатия, так как приходится противодействовать росту давления вызванному повышением температуры.
А теперь о том, что происходит при применении трубчатых нагревателей.
Для простоты возьмем вариант с нагревателем определенной температуры (например, жидкость от теплового коллектора солнечной электростанции) и с объемом нагревательных трубок гораздо меньше объема цилиндра:
1. Газ нагревается в регенераторе до температуры нагревателя и повышается давление.
2. Газ проходит через трубки теплообменника не нагреваясь в них, так как он уже имеет температуру нагревателя.
3. Газ расширяется адиабатно и охлаждается в процессе расширения. При этом, как я уже писал выше, выполняется меньшая работа, чем при изотермическом расширении.
4. Газ вытесняется в холодную часть цилиндра, вначале нагреваясь в теплообменнике, затем охлаждаясь в регенераторе. В трубках холодильника теплообмен не происходит.
5. Газ сжимается адиабатно, нагреваясь из-за сжатия. Затрачивается большая работа на сжатие, чем при изотермическом процессе.
6. Газ вытесняется в горячую область, охлаждаясь в холодильнике перед нагревом в регенераторе.
Получается, что изотермы цикла заменены на адиабату+изохору. В результате, газ выполняет меньшую работу при расширении и требуется больше работы на его сжатие. В итоге КПД (который и есть отношение затраченной работы к выполненной) гораздо меньше цикла Стирлинга - если в численном выражении, то почти в 1,5 раза. Например, при температуре горячей области 600 С, а холодной 20 С, идеальный КПД цикла Стирлинга - 66%, а идеальный КПД такого двигателя 42%.
Если температура источника тепла выше рабочей температуры двигателя (пламя), то процессы идут несколько сложнее, но результат тот же.
Если объем трубок теплообменников сравним или больше объема цилиндра, то процесс частично перейдет в изотермы (в трубках в изотермы, в цилиндре адиабаты), но вырастет «мертвый объем», который всегда является помехой КПД. И хотя иногда это может увеличить КПД по сравнению с «малообъемным» теплообменником, но всего лишь на пару процентов.
Вот и получилось, что совершив некоторый прорыв в «стирлингостроении», фирма Филлипс направила всех по тупиковому пути развития этих двигателей. А если говорить точнее, то произошла подмена понятий и «стирлингами» стали называть двигатели, имеющие к ним весьма отдаленное отношение. Но при этом, все привыкли приписывать недостатки данного решения самим двигателям Стирлинга.
Но, с другой стороны, складывается весьма интересная ситуация - сейчас у «доморощенного Кулибина» имеется шанс прославиться созданием, почти в гаражных условиях, двигателя имеющего КПД выше промышленных образцов. Разумеется при правильном подходе к качеству изготовления и учитывая все наработки и идеи, имеющиеся в этой области в данный момент. В первую очередь отказ от нагрева/охлаждения за пределами цилиндра и создание принудительной конвекции внутри областей нагрева и охлаждения - только в этом случае можно достичь именно изотермического расширения/сжатия, так как обеспечивается равномерный теплообмен во всем объеме газа при его сжатии/расширении.