Antes de entrar en los detalles de mi proyecto de motor de Stirling Quiero hablar primero un poco acerca de cómo funciona un motor de Stirling, y la historia detrás de él. Un motor Stirling es un motor de calor que funciona sobre la base de una diferencia de temperatura externa aplicada. Al mantener una diferencia de temperatura fría y caliente el motor es capaz de ejecutar y producir energía mecánica. Es diferente de motor de combustión interna (ICE) en que es un ciclo cerrado, es decir, el gas de trabajo está encerrado dentro del motor. Esto está en contraste con el motor de combustión interna (ciclo Otto) en el cual se extrae el gas de trabajo (aire) en el medio ambiente y expulsado como gases de escape. Cuando las válvulas, de aire / combustible mezcladores y mecanismos de tiempo son necesarias en tales motores, en un motor Stirling, no se requieren tales componentes. Además, el motor Stirling no se limita al tipo de combustible utilizado. Es indiferente a la fuente de calor, lo que abre muchas posibilidades, incluyendo no contaminante de energía solar, o la quema de biomasa (madera, cáscaras, etanol, etc) - que puede ser carbono neutral, es decir, que absorben el carbono tanto ( debido a la fotosíntesis), ya que emiten cuando se queman. Dado que los combustibles fósiles, que se suman a los gases de efecto invernadero, no tiene por qué ser utilizado para este tipo de motor que tiene una ventaja positiva clara.
Es útil para el diseño de los motores Stirling y predecir el rendimiento. Fácil de usar. Sólo $ 89.95 CAD. Manual de información que se incluye lo que explica en gran detalle cómo funciona un motor Stirling. Haga clic aquí para obtener más información.
El principio básico de que el motor Stirling es esta. El gas de trabajo en el interior del motor se calienta, lo que aumenta su presión y mueve los pistones como resultado. El gas se enfría, se reduce su presión. Luego se calienta de nuevo, y se repite el ciclo. En un motor real esto sucede típicamente muy rápido, en el mismo orden de velocidad como un ICE. El gas de trabajo es y venía muy rápidamente en el interior del motor, entre los extremos fríos y calientes, de forma continua ganan y pierden calor y la producción de energía como resultado.
El motor Stirling es de ninguna manera una nueva invención. Fue inventado hace casi 200 años por un reverendo Stirling, Robert, que estaba preocupado por el número de lesiones y muertes derivadas de explosiones catastróficas de alta presión de las calderas de las locomotoras de vapor en el lugar de trabajo. Propuso el motor Stirling como una manera de producir energía sin los riesgos explosivos mismos. Desafortunadamente, debido a la naturaleza del motor Stirling, se requiere una diferencia de temperatura muy alta y alta presión interna para funcionar. Aunque las consecuencias de tal sistema que falla no son tan graves como en las máquinas de vapor, todavía resultó ser restringida por las limitaciones de los materiales en el tiempo (por ejemplo, falta de altas aleaciones resistentes al calor). Como resultado, nunca el motor de Stirling encontrado su lugar desde el principio en aplicaciones de alta potencia. Y a medida que las máquinas de vapor se hizo cada vez más seguro, el motor Stirling se limitaba a aplicaciones de potencia baja y media, como el bombeo de agua.
Con el crecimiento de la ICE en la década de 1900, el motor de Stirling fue empujado aún más en la oscuridad, es decir, debido a la energía barata en forma de combustibles fósiles, pero también debido a las características de respuesta del ICE. La ICE, a diferencia del motor de Stirling, no es necesario para "calentar" como mucho y es rápido para acelerar y cambiar la velocidad, que es ideal para automóviles, por ejemplo. Sin embargo, el ciclo de Stirling es inherentemente más lenta para responder a los cambios en los requisitos de energía. Sin embargo, con un diseño adecuado se puede hacer más eficientes y consumen menos combustible que una chispa de encendido ICE comparable (por ejemplo, motor de gasolina).Por estas razones, el motor Stirling es ideal para la salida de potencia constante, y está empezando a hacerse popular. Los aficionados, ingenieros e inventores de todo están trabajando en el desarrollo de estos motores. De hecho, ha habido varios motores prometedores con alta potencia y alta eficiencia hizo en el pasado, tales como los producidos por la empresa Philips, y la NASA, que desarrollado y probado el MOD I y II MOD motores.En un informe de 1986 para el diseño de motores de automoción MOD II, se indica en el Apéndice A kilometraje de la carretera que el gas aumentó 40 a 58 millas por galón, y en la ciudad se aumentó de 26 a 33 mpg sin ningún cambio en el peso bruto del vehículo ( ref:http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19880002196_1988002196.pdf ). Sin embargo, debido a la presión del motor muy elevada requerida para obtener alta potencia (15 MPa) - que requiere fuertes componentes voluminosos - y la dificultad de incorporar una rápida respuesta y el tiempo de aceleración en el motor, nunca hizo su camino en el mercado. Resulta que sólo se encuentra un verdadero éxito en aplicaciones especializadas tales como submarinos para aplicaciones militares, donde el costo no es prohibitivo. Y en la actualidad, de alta potencia motores Stirling puede ser muy caro, sobre la 10/Watt orden o $ para prototipos de sistemas de alta potencia. Pero el coste es mucho menos para ciertos sistemas a pequeña escala que están disponibles comercialmente.
Pero el motor de Stirling está ganando más atención como el interés en fuentes alternativas no contaminantes de energía va en aumento. Y la tecnología está alcanzando a la ICE, que ha sido siempre más a lo largo de la curva de desarrollo. Véase un ejemplo en calor WhisperGen y Sistemas de Potencia: http://www.whispergen.com .
Información útil adicional se puede encontrar en la página de Wikipediahttp://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine . Y si usted tiene algún conocimiento de la termodinámica es probable que no le importará http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_cycle.
Pues resulta que hay una gran cantidad de información disponible en línea. Me referiré a un poco más de lo que me meto en el trabajo que yo personalmente he hecho sobre el tema.
Una investigación más profunda en el funcionamiento del motor Stirling
En el último año he hecho un esfuerzo importante en el aprendizaje y el intento de construir un trabajo de bricolaje del motor Stirling. En otras palabras, quería construir un motor Stirling casero. Mi objetivo era hacer una casera motor Stirling de potencia decente (100 W o menos) a partir de materiales cotidianos que puedes comprar en Canadian Tire, Home Depot o tu ferretería local. Un verdadero proyecto de bricolaje, que sólo pasa a ser de bajo presupuesto, así ahora, dada esta restricción auto-impuesta, este fue un gran reto, ya que quería hacer algo más que un lindo bajo consumo modelo como el tipo que se ve en YouTube Así que me fui a él, y para ser honesto, nunca recibí un motor real de trabajo, a pesar de que se hizo un montón de información sobre cómo funciona. Y me mostró que al encender el motor en marcha atrás (como una bomba de calor), se puede hacer una nevera fuera de él. Más sobre esto más tarde.
En primer lugar, aquí hay una foto de la casera motor Stirling que hice:
El motor anterior es un alfa configuración. Elegí la configuración alfa, ya que es más fácil para mí para construir dado lo que tengo que trabajar, y es más sencillo conceptualmente que los otros tipos de configuraciones, que son conocidos como beta y gamma de motores.Puede encontrar más información sobre ellos en el mismo enlace a Wikipedia como anteshttp://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine y en este sitio web, por Urieli Israel, que habla de las diferentes configuraciones mecánicas de los motores Stirling: http:/ / www.ent.ohiou.edu/ ~ urieli / stirling / motores / engines.html .
El motor de arriba es en realidad mi cuarto intento de construir un motor Stirling de bricolaje. Como mi conocimiento avanzado se hizo evidente lo que hice mal cada vez. La retrospección es 20/20 después de todo. Y algunas cosas no se puede saber hasta que lo intentas y construir por sí mismo. Las manos en la experiencia es la única manera de conseguir una buena comprensión del diseño del motor Stirling.
Y por cierto no me molestaré en mostrarles todo el trabajo que hizo en las versiones anteriores fallidas
Vamos a empezar por la disección de lo que hice por esta última versión.
Lo más importante era que yo tenía que hacer el motor hermético. Aprendí muy pronto que un aspecto clave de tener un funcionamiento de alta potencia del motor Stirling estaba siendo capaz de contener el gas de trabajo (que es el aire en mi caso) en el interior del motor sin fugas (o muy poco). Si usted tiene una fuga de aire, perderá rápidamente el poder.La única manera de evitar esto es tener un compresor de aire continuamente de bombeo en el aire con el fin de mantener la presión. Esto no era una opción para mí, así que tuve que encontrar una manera de sellar en el aire usando materiales cotidianos bricolaje. Lo que significa que el uso de un pistón con juntas, más taladro (cortado de un bloque de metal), está fuera, ya que no es de bricolaje. Así que he optado por utilizar un diafragma de algún tipo, que se expanden y comprimen.
Para hacer que los diafragmas que utilizan piezas cortadas de esteras de silicona para hornear (comprado en la sección de utensilios de cocina de Canadian Tire) y RTV de silicona de alta temperatura rojo (también comprado en Canadian Tire) para atarlos juntos. Me pareció que RTV de silicona forma una unión fuerte y hermético con las esteras para hornear. Consulte la Figura 2-5.
Entre los intercambiadores de calor y frío es un regenerador. Un regenerador aumenta la eficiencia de un motor Stirling. No es necesario tener una para que el motor funcione pero reduce el requisito de energía de entrada de la estufa y el requisito de extracción de energía del refrigerador, lo que hace que el motor funcione de manera más eficiente. El funcionamiento del regenerador es mediante el almacenamiento de algunos de la energía calorífica del gas de trabajo cuando se mueve desde el intercambiador de calor para el intercambiador de frío, reduciendo así el requisito de enfriamiento de la fuente de frío. Y en el camino de regreso, a medida que el gas de trabajo del intercambiador de frío a caliente el intercambiador, se "gana" de nuevo que la energía de calor, reduciendo así la demanda de calor de la fuente de calor. El enlace de la Wikipedia explica en detalle el regeneradorhttp://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine . La literatura que indica que se ha encontrado apiladas pantallas de malla de alambre, apiladas aletas de metal, o un lecho de bolas esféricas, servir como eficaz material de regenerador. Yo personalmente utilizado lana de acero, según lo recomendado por numerosas fuentes en línea. La figura 9-11 muestra una imagen del regenerador. He insertado lana de acero en una longitud de 2 pulgadas de tubo de cobre, recorta las puntas, y poner accesorios de compresión en los extremos que le permitió unirse a los intercambiadores de calor y frío (Figura 12). A diferencia de los otros cálculos que hice, no fue riguroso sobre la elección de la longitud de 2 pulgadas. Nos pareció que era una buena longitud para su uso. Además, yo no estaba seguro de cómo modelar lana de acero en mis cálculos.
Una mirada más cercana a la final del motor montada se muestra en la figura 22-26. Tenga en cuenta que el movimiento de lado pistón caliente es idéntico al movimiento de lado pistón frío (sinusoidal). La única diferencia es que el pistón del lado caliente es de 90 grados más lejos por delante del pistón lado frío, en términos de posición de rotación. Por ejemplo, cuando el pistón lado caliente está en la posición más superior, el motor tiene que girar otros 90 grados para que el pistón lado frío para llegar a la misma posición más superior. El enlace de Wikipedia también lo explica, para los motores Alfa:http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine .
Se debe mencionar que en el arranque (1-2 rev / seg) la potencia del motor es baja, tal vez 5-10 W, con la presión inicial de 3 psig (de acuerdo con mi simulador de motor Stirling ). El simulador muestra que he creado una presión de motor mucho más alto que lo que se utiliza es necesario superar la fricción / pérdidas, y obtener una buena velocidad de ejecución. Pero esta presión, que es del orden de 8-10 bar (120-150 psi) crearía demasiada tensión en los vínculos (más de 800 libras de fuerza hacia arriba!). Y los diafragmas no puede sostener bien.
Con una presión más alta que el motor tiene más "patada" durante la fase de expansión. Esta es la etapa del motor que se mueve de motor mínimo (interna) de volumen a volumen máximo del motor. Esta es la "patada" que permite que se empuje a través de la etapa de compresión, que es la fase del motor que se mueve desde el volumen máximo del motor a un volumen mínimo del motor. Con suficiente "patada", lo hace con energía de sobra, lo que resulta en una salida de potencia neta. El volante es necesario debido a que recibe la energía de la patada, y debido a la inercia, empuja el motor cuando la fase de compresión. Si esta patada no es suficientemente fuerte, simplemente no arranca. Y esto significa que o bien tienen una salida de potencia neta muy poca o las pérdidas del motor son demasiado altos.Esta falta se puede aumentar de dos maneras: aumentar la presión interna y / o aumentar el lado caliente / frío diferencia de temperatura lado (por lo general mediante el aumento de la temperatura del calentador).
En esencia, la patada viene de la expansión del gas de trabajo, ya que se calienta cuando fluye a través del calentador y en el espacio del pistón caliente (que en mi caso es el diafragma en el lado caliente).
Resumen
Está claro que yo no era capaz de alcanzar mi meta de construir un motor Stirling de bricolaje poder decente utilizando materiales comunes. Pero tuve la oportunidad de demostrar su capacidad como bomba de calor, hasta cierto punto, que sirve como una forma de evaluar qué tan bien los aspectos termodinámicos de la función de motor. Esperemos que en la lectura de todo esto ha adquirido una mejor comprensión del diseño del motor Stirling.
Este proyecto ha allanado el camino para mí para construir otro motor Stirling en algún momento en el futuro. Pero va a estar hecho de metal, especialmente la vinculación y el montaje del volante donde la acción mecánica suave, y la fuerza es necesaria. La idea del diafragma / RTV de silicona pueden seguir utilizándose sin embargo, pero por desgracia, no puede tener vida muy larga debido a la constante "flexión" involucrado. Y también que no será capaz de resistir muy altas presiones y temperaturas mucho mayores que 300 grados Celsius. Y la temperatura del calentador de alta es esencial para una mayor eficiencia y potencia. Así que un pistón de metal / configuración de agujero es probablemente la mejor solución, especialmente en el caso de altas temperaturas de los calentadores y la presión interna. Buenos sellos obviamente sería necesario, sin embargo, tal como PTFE - politetrafluoroetileno (Teflon). Pero puesto que no puede resistir el exceso de temperatura, entonces quizás un beta configuración de motor tendría que ser utilizado en lugar de un alfaconfiguración. Y puede ser que un compresor de aire tendría que ser conectado a dicho motor con el fin de mantener y controlar la presión del motor, con la salida del compresor regulado para aumentar o disminuir la potencia del motor (aumentar o disminuir la velocidad del motor, respectivamente). Para aumentar la potencia del motor, el aire adicional se bombea en, y para disminuir la potencia del motor, el aire se bombea hacia fuera. Idealmente cualquier fuga de aire sería pequeño que reduciría al mínimo la potencia del compresor de estado estable se requiere para mantener la presión del motor.
Además, es mejor utilizar un intercambiador de calor del lado caliente de acero inoxidable.El tubo de cobre usé mostró claros signos de oxidación, que puede estar bien para temperaturas de 300 grados centígrados, pero no va a soportar las temperaturas muy altas por encima de eso (del orden de 700 a 800 grados Celsius). El acero inoxidable es mucho más resistente a los efectos de la oxidación a alta temperatura.
Otro punto a destacar es que el regenerador no era tan esencial para mi motor y no habría hecho una gran diferencia en el resultado. Esto se debe a la calefacción y la potencia de refrigeración de mi puesta a punto eran un poco más de lo que necesitaba para alimentar el motor. Obtención de alta eficiencia térmica no era una prioridad en esta etapa de mi diseño, porque yo sólo estaba interesado en tener un montón de calor y frío para poder ponerlo en marcha. Y una vez que se pone en marcha, a continuación, puede hacer con seguridad el calentador y enfriador más eficaz y enfoque en minimizar la energía necesaria para cada uno - por ejemplo, poniendo un recinto aislado alrededor de la fuente de calor para ayudar a "atrapar" el calor de manera que sólo se pone absorbido por el intercambiador de calor y no sangre hacia el aire circundante. Una vez hecho esto, es cuando se convierte en un regenerador muy importante. Ayuda a mantener el bajo aporte de energía mínimo.
Si usted está buscando un software de motor de Stirling para ayudarle en sus esfuerzos de diseño, he creado un programa. Para obtener más información acerca de ir aquí .
Estos son algunos enlaces Stirling más buenos del motor:
Stirling Engine Design Manual, William R. Martini, de la Universidad de Washington, abril de 1978 . Enlace:
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19780016056_1978016056.pdf
Stirling Engine Design Manual, segunda edición, William R. Martini, Martini Ingeniería, enero de 1983 . Enlace:
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19830022057_1983022057.pdf
Dish Stirling Sistemas . Enlace:
http://www.nrel.gov/csp/troughnet/wkshp_power_2007.html plato #
Ésta fue la clave para que yo sea capaz de crear mi simulador motor Stirling :
Análisis no lineal de la termodinámica del motor Stirling, Oak Ridge National Laboratory, Banduric RD y Chen NCJ, junio de 1984 .
Este siguiente le da una buena visión general de Stirling Engine terminología:
Términos de eficiencia para los sistemas del motor Stirling, Oak Ridge National Laboratory, JL Crowley, junio de 1983 . Enlace:
http://www.ornl.gov/info/reports/1983/3445605890836.pdf
Comprobar éste hacia fuera. Este hombre construyó un 2,5 hp gamma Stirling fuera de su taller. Él lo llama "El Dandy Jim # 6". Enlace:
http://www.starspin.com/stirlings/jimd6.html
Por último, aquí está una lista de los puntos que puse juntos, lo que puede resultar útil en el diseño del motor Stirling:
• La relación de compresión óptima (volumen máximo del motor / motor de volumen mínimo) que resulta en la mayor potencia, es menor que 2. Tenga en cuenta que el volumen del motor es el "conjunto" del volumen contenido en el interior del motor, que incluye el volumen en el espacio calentador, el espacio más frío, el regenerador, y los espacios laterales fríos y calientes de pistón. Mientras que el volumen en el calentador, enfriador y el regenerador permanece constante, el volumen en los espacios de pistón caliente y fría cambiar con el tiempo. Así que hay un punto en el que el volumen del motor es máximo y mínimo, por lo tanto, la relación. En mi diseño, la relación de compresión fue de alrededor de 1,9.
• volumen regenerador es a menudo grande en comparación con el volumen del calentador y enfriador. Puede ser tanto como dos veces el volumen de el calentador o enfriador. Se requiere con el fin de lograr una alta eficiencia térmica. De hecho, un 1% de mejora en la eficiencia del regenerador puede mejorar la eficiencia térmica global por varios puntos porcentuales. El más ineficiente el regenerador, mayor es el flujo necesario el calor de la estufa y mayor será el tamaño requerido del enfriador, para alcanzar el mismo nivel de potencia.
• Existe una paradoja que implica la eficacia de los intercambiadores de calor y el regenerador. Los más eficaces son, más potencia de bombeo que se necesita para "empujar" el gas de trabajo a través de ellos. Eficacia de los intercambiadores de calor principalmente se puede lograr por conductos de flujo estrechos, que "constriñe" el flujo y eleva la tasa de transferencia de calor por convección entre la pared de los conductos de flujo y el gas de trabajo. Pero esto también aumenta la demanda de potencia de bombeo - esto se traduce en una pérdida del motor. Del mismo modo, la eficacia del regenerador se puede lograr mediante el uso de un material de matriz densa que absorbe y transmite el calor desde y hacia el gas de trabajo, respectivamente. Sin embargo, un material de matriz densa también requiere una mayor potencia de bombeo para "empujar" el gas de trabajo a través de él. Sin embargo, a pesar de los requerimientos adicionales de bombeo, un motor Stirling funciona de manera más eficiente y con mayor potencia cuando se utiliza estrechos pasajes de flujo y una densa matriz regenerador. Hay que tener cuidado, sin embargo, en no hacer demasiado los pasajes estrechos o el material de matriz demasiado densa, de lo contrario la pérdida de bombeo superará cualquier incremento de potencia. Esto es donde la optimización se vuelve crítica.
• Para reducir las pérdidas de regenerador es necesario para limitar el nivel de la conducción de calor axial (en la dirección de flujo) dentro del regenerador. Conducción de calor axial tiene el efecto de "cortocircuito" el calor desde el lado caliente al lado frío, y como resultado, la reducción de la diferencia de temperatura eficaz en el motor. Cuanto menor sea la diferencia de temperatura eficaz, menos eficiente del motor. Para limitar este tipo de pérdida se puede apilar pantallas de malla de alambre (el material regenerador) perpendiculares a la dirección de flujo, lo que obliga a la transferencia de calor axial que se produzca entre las pantallas, lo que la desaceleración.
• Una buena manera de empezar un motor Stirling es por tener menor presión interna, lo que facilita el esfuerzo de "entregar" el motor más allá de la etapa de compresión. Y una vez que empieza a correr aumentar la presión del motor para aumentar la velocidad y la potencia. En algunos casos, es necesario un arranque eléctrico.
• El calentador y el enfriador típico (intercambiadores de calor) se componen de muchos tubos paralelos de pequeño diámetro (1-5 mm de diámetro interior.) Con el gas (de trabajo) que fluye en su interior.
• muy alto de trabajo presiones de gas se utilizan debido a la densidad de potencia es proporcional a la presión media del gas. Pérdidas del motor aumentar lentamente la presión del gas. Una diferencia de temperatura superior entre el lado caliente y frío también aumenta la densidad de potencia y aumenta la eficiencia.
• Los sellos de pistón no puede ser lubricado con aceite, ya que esto ensuciar los intercambiadores de calor rápidamente. Llenos de anillos de pistón de teflón se utilizan a veces. Especialmente diseñados cierres mecánicos o sellos de aceite respaldados calcetín rollo se puede utilizar para eliminar casi por fugas. En algunos sistemas de baja potencia, las fugas, la fricción por deslizamiento y desgaste mecánico se han eliminado mediante el uso de diafragmas o fuelles en lugar de pistones.
• El hidrógeno y helio como el gas de trabajo, funcionan mucho mejor que cualquier otro gas (incluyendo el aire) mediante la producción de la mayor potencia y eficiencia. El hidrógeno es el mejor porque tiene la mayor conductividad térmica, la menor densidad y viscosidad (que resulta en menores pérdidas de bombeo a través de los pasajes estrechos de intercambiadores de calor y el regenerador), y una capacidad calorífica baja en una base de volumen. Así, sólo una cantidad relativamente pequeña de calor es necesaria para cambiar su temperatura. Sin embargo, el hidrógeno penetra a través de los metales y ningún contenedor es completamente impermeable a la misma. Y el hidrógeno es inflamable.Algunos metales se fragiliza por hidrógeno. El helio, sin embargo, es inerte y puede ser permanentemente contenida en metal. Tiene una capacidad volumétrica de calor incluso menor que la viscosidad de hidrógeno, pero es el doble que el del hidrógeno.
• Para predecir la velocidad de rotación de un motor de Stirling en carga cero que tiene que detemine las pérdidas del motor debido a pérdidas mecánicas en los vínculos, tales como la fricción y las pérdidas termodinámicas en el interior del motor, tales como el bombeo y las pérdidas de histéresis. La velocidad de rotación del motor determina la velocidad de flujo / pérdidas del gas de trabajo a medida que fluye a través del motor. El motor acelerará hasta que el "equilibrio" se alcanza (velocidad de giro constante). Este es el punto en el cual se equilibra la potencia del motor en bruto por las pérdidas. En otras palabras, la igualdad siguiente se aplica en el caso de la velocidad constante del motor: mecánica y termodinámica pérdidas de potencia del motor = prima . En el caso de que tenga una carga aplicada al motor (por ejemplo, con un generador), el motor alcanza una velocidadmenor que la velocidad de carga cero. Esto corresponde a la igualdad básica igual, pero con un plazo extra añadido: pérdidas mecánicas y termodinámicas + carga del generador de potencia del motor = prima . Como se ha mencionado, la velocidad del motor a la que esta igualdad se cumple es la última velocidad de rotación del motor. Tenga en cuenta que las variables en el lado izquierdo, incluyendo la carga del generador, es probable que todouna función de la velocidad del motor, haciendo de esta una relación no lineal, matemáticamente hablando. Lo ideal es que esta igualdad se corresponda con el punto de salida máxima potencia del generador, ya que significa que usted obtiene más por su dinero.