Двигатель стирлинга своими руками
Обновлено: 07.07.2024
Генератор электричества и тепла для коттеджей и загородных домов на древесно-топливных гранулах (пеллетах). Комплект генератации построен на двигателе Стирлинга и представляет собой пиролизный пеллетный котел низкого давления с рабочими температурами до 950 градусов с электрогенератором внешнего сгорания (работающий от разности температур в котле и водяного контура охлаждения). Материалы установки подобраны таким образом, чтобы обеспечить возможность непрерывной работы в течение длительного периода времени. Ресурс оборудования не менее 100.000 часов работы, при обязательном выполнении сервисных работ (самостоятельно, или с привлечением сервисных организаций).
Установка позволяет обеспечить один загородный дом с площадью 50-150 кв.м. отоплением и электроэнергией. Запуск установки производится от встроенного стартера с автоматическим запуском при достижении рабочей температуры. При наличии данных установок нет необходимости подключения к внешним электросетям и городским сетям теплоснабжения. А при устройстве теплообменника "вода-вода" дополнительным плюсом является получение горячей питьевой воды. Комплект Armasysgen-30 оснащается водогрейным котлом, работающем на древесных гранулах (пеллетах), для выработки электричества не использует пар, а следовательно установка не подведомственна РосТехНадзору.
Простота и дешевизна в монтаже, эксплуатации и обслуживании позволяет данному генератору беспрепятственно выходить на рынки, в том числе и России. Постоянно растущие тарифы на энергоносители, дают подобным системам огромное преимущество. Кроме того данным установкам присущи все плюсы, относящиеся к установкам на экологически чистых видах топлива (безопасность хранения запаса топлива, взрыво-пожаро безопасность, отсутствие выделения вредных газов в том числе углекислоты в процессе горения и т.д.).
Единственным минусом данного решения является высокая стоимость, что определяется технической сложностью реализации двигателя Стирлинга. Техническая сложность характеризуется материалами, из которых изготавливается оборудование, так как данная установка предназначена работать круглосутоно (без перерывов) в течение длительного времени (несколько лет подряд). Если пересчитать данный ресурс на двигатель внутреннего сгорания в автомобиле, то первое ТО автомобилю необходимо было бы делать через 1.000.000 км, а общий ресурс автомобильного двигателя ограничивался бы 10.000.000 км.
Стоимость капитальных вложений на оборудование по производству электрической энергии на двигателе Стирлинга на 1 кВт доходит до 10.000 евро/кВт, что полностью исключает данный вид оборудования из промышленного сегмента. При необходимости получения электрической энергии в промышленных масштабах, необходимо использовать другие технологии производства электрической энергии, с капитальными вложениями до 1000 евро/кВт, например основанные на пиролизе биомассы с переработкой в синтетическое топливо и дальнейшее производство электроэнергии на поршневых генераторах.
Все производимые изделия обязательно испытываются перед отгрузкой на работоспособность при температурах, превышающих рабочие на 10-15%, для чего используется термочехол с керамическими нагревателями.
СТОИМОСТЬ КОМПЛЕКТА ArmasysGen-30 — 2 450 000 рублей, с учетом НДС
SV-2 представляет собой двигатель Стирлинга альфа конфигурации с использованием воздуха в качестве рабочего тела. Рабочее давление составляет 12 бар (175 фунтов на квадратный дюйм или 11.8 атмосфер или 1,2 мегапаскаля). Объем составляет 127 кубиков. Механическая выходная мощность на валу равна 700 Вт при 1800 оборотов в минуту.
На Ютьюбе есть видео генератора, разработанного на основе автомобильного компрессора от кондиционера. Далее перевод рассказа Дэйва Кирка, который представил на YouTube свой проект SV-2 MKII альфа-стирлинг (V-Twin) генератора.
Вдохновленный MP1002C Philips
В середине 80-х, я имел удовольствие быть свидетелем испытаний генераторной установки MP1002C Philips которая на самом деле реально работала. Опыт произвёл на меня глубокое впечатление, особенно в том, как спокойно Стирлинг завёлся и ожил. Максимум шума исходил от горелки (камеры сгорания), но в конечном итоге от двигателя Philips исходил очень приятный звуковой фон — всё, что нужно было заменить — были шумящие подшипники.
Наддув (нагнетание давления в Стирлинге)
Для получения значимых выходных мощностей необходимо повышать давление в рабочей зоне двигателя. Зная, что двигатель Philips работал при давлении 12 бар (175 фунтов на квадратный дюйм), я хотел бы получить двигатель, который был бы конструктивно прочным и компактным, чтобы работать на данных уровнях внутреннего давления рабочего газа. Рабочим телом был воздух, и выбран он был на основании практичности. Я хотел, чтобы в моём генераторе смазка осуществлялась маслом, так же как и в Стирлинге от Philips — эта функция в значительной степени способствует тихой работе и длительному сроку службы, который очень хочется получить в двигателе Стирлинга.
Компрессор кондиционера от Chrysler
Примерно в это же время мне в руки попался холодильный компрессор и оказалось, что он идеально подходит в качестве основы для запланированного мной двигателя. Это был автоматический компрессор кондиционера RV-2 компании Chrysler. Кривошип разносил поршни на 90 градусов (дизайн V-твин), с диаметром цилиндра 58,7 мм и ходом поршня 33,4 мм.
В обоих цилиндрах в сочетании с правильной траекторией движения газа, рабочим объемом составил 127,8 куб.см, что составляет более чем вдвое больший объём по сравнению с MP1002C двигателя Philips. Являясь холодильным компрессором, конструкция была сделана основательно и с достаточным запасом прочности для такого сильного сжатия. Кроме того, этот компрессор содержал героторный масляный насос, который под давлением смазывал края большим шатунным подшипникам. Каждый алюминиевый поршень имел одно компрессионное кольцо и соединены через алюминиевые шатуны Alcoa. Этот компрессор оказался самым оптимальным для моей задумки.
Компрессор кондиционера Chrysler RV-2
Годы разработки
На протяжение нескольких лет, я спроектировал и уже отработал все необходимые компоненты, для того, чтобы адаптировать компрессор к работе в двигателе Стирлинга. Я также сконструировал трубчатую несущую раму, которая являлась несущим основанием для двигателя. Рама стилизована под аналогичную используемую на генераторной установке Philips.
Головка нагревателя, вытеснитель и внутренний цилиндр выполнен из труб нержавейки 302 различных размеров. В роли регенератора использовал путанку из медной проволоки. Охладитель, расположенный со стороны сжатия двигателя, был изготовлен из алюминиевых трубок. Использовал небольшой генератор 200 Вт 12 вольт с ременным приводом, который изначально был куплен и предназначался для работы на садовом тракторе.
Вот этот двигатель, получивший название SV-2 MK I (Stirling V-2 Mark I):
Генератор на базе двигателя Стирлинга SV-2 MK I (Stirling V-2 Mark 1)
Изначальные характеристики и рабочее тело
Двигатель заработал, но производительность его была далека от ожидаемой величины. Я пробовал использовать гелий в качестве рабочего тела, и это помогло, повлияв как на выходную мощность, так и на обороты, но при этом было слишком очевидно, что что-то было кардинально не правильно. Работа двигателя будет существенно лучше при поднятии давления до 2 бар и оборотах 2000 в минуту, отдавая примерно 50 Вт мощности на выходе уже с электрогенератора … дальнейшее изменение в большую или меньшую сторону скорости или давления приведёт к потере выходной мощности. Кроме того, блок цилиндров начнёт очень сильно греться через незначительное время после запуска, что является доказательством о завышенной теплопередаче вдоль корпуса двигателя.
Конфигурация двигателя. Пробы и ошибки
Несмотря на не оптимальную работу, я много узнал о расходе масла и о том как очищать перемещающуюся смазку в рабочем пространстве. Разобрался с техническими особенностями особой скруглённой формы вытеснителя, его прерывистых движений, уплотнительными кольцами и канавками для них и разделённой формы вытеснителя. Открытие безуглеродного состава синтетических масел с высокой температурной точкой вспышки также было очень полезно. Собственная конструкция отражателя пламени горелки на пропане также вызывал сомнение, но после нахождения некоторых старых публикаций на эту тему, успешная расчетная схема горелки наконец-то появилась и была успешно апробирована на трёх построенных экземплярах.
Конструкция самодельного кольца газовой пропановой горелки
Новый дизайн и появление MK II
В тот момент я понял, что была необходима большая модернизация для того, чтобы получить хороший и эффективный двигатель. Копаясь в моих технических справочниках и книгах, я внедрил модернизацию во все термодинамические компоненты в газовом контуре. Были переработаны: головка нагревательного цилиндра из нержавеющей стали 316, на которой нанесены рёбра внутренние и внешние, фольга для регенератора, ребристый охладитель, а также новый вытеснитель из нержавейки с тонкими стенками.
Ребристый снаружи и внутри нагреватель двигателя стирлинга из нержавейки
Мой друг и энтузиаст в стирлингостроении Джон Арчибальд, согласился подготовить чертежи из моих эскизов дизайна и используя свои навыки в качестве слесаря-механика, помочь с созданием некоторых из наиболее сложных частей. Потребовалось еще несколько лет, чтобы получить все новые компоненты, но в конце 2012 года, версия MK II двигателя была готова и была собрана.
Кулер с рёбрами для двигателя стирлинга
Пробный запуск генератора Стирлинга SV-2 MK II
Для SV-2 MK II был первый запуск в январе 2013 года и сразу было видно, что редизайн улучшил как ходовые качества, так и производительность. Двигатель стал работать довольно приятно, когда давление рабочего газа было поднято до 4 бар (3,95 атм. или 0,4 МПа), и при увеличении давления обороты увеличивались пропорционально. И замеры мощности не были сделаны в тот момент из-за не соответствующей геометрии горелки новой ребристой головке нагревателя.
Собранный двигатель с генератором показан ниже:
Генератор на двигателе стирлинга МК-2 Генератор МК-2. Вид сзади
Водяное охлаждение стирлинга
Так как двигатель альфа имеет водяное охлаждение, то для циркуляции охлаждающей жидкости применён небольшой электрический гидронасос, запитываемый в дальнейшем от выходной мощности электрогенератора.
Дальнейшая разработка горелки
Новая горелка сейчас строится, она будет соответствовать ребристой геометрии головки нагревателя и будет выдавать более высокую теплоотдачу для предполагаемого вывода выходного вала 700 Вт на 1800 оборотов в минуту. Конструкция горелки должна быть готова к тестированию в следующем месяце или чуть позже, и должна быть полностью готова для исследования и раскрытия полного потенциала этого двигателя.
Сейчас нет планов и нет чертежей для этого генератора
У меня нет никаких планов ни производить этот двигатель ни продавать чертежи для изготовления его деталей. Это строго научный проект для демонстрации жизнеспособности данного изделия. Затруднения и издержки в изготовлении некоторых компонентов нивелировались выбором усреднённого хоббийного качества изготовления. Также, существуют компромиссы в использовании для данного двигателя элементов компрессора РВ-2, которые не будут присутствовать в идеальной конструкции. Если так и будет, то для повышения производительности это требует размещение всех термодинамических компонентов на основе собственной разработки — то есть, спроектированный заново картер, поршни, шатуны и т.д. Только тогда это будет продукт, который сможет иметь определённый рыночный потенциал.
Пожалуйста, смотрите на мои новые видео YouTube, как прогрессирует развитие. Я искренне благодарю всех вас за проявленный интерес!
Кирк Двигатели, Inc.
Далее некоторые данные из самого видео.
Совсем недавно, полная реконструкция нагревателя, регенератора и холодильника была выполнена и ,были произведены новые компоненты. Этот вариант, SV-2 MKII включает в себя все тонкости, необходимые для достижения поставленных целей. Головка нагревателя сделана из заготовки стали 316 при помощи электроэрозионного процесса. Купол и фланец свариваются в месте. Как внутренние, так и наружные ребра использованы для усиления теплообмена с рабочей жидкостью.
Внешние рёбра нагревателя и сварочный шов
Внутренние рёбра нагревателя и сварочный шов
Регенератор имеет корпус из нержавеющей стали 316 используя оберточную нержавеющую фольгу в виде материала регенератора. Толщина составляет 0,001 дюйма. Эта часть выполнена в виде цилиндрического контейнера. Торцевые экраны держат фольгу на месте.
Корпус регенератора
Холодильник двигателя стирлинга с водяной рубашкой
Головка цилиндра зоны компрессии изготовлена из алюминиевой заготовки. Соединительный канал сделан из толстостенной медной трубы.
Компрессионный насос двигателя стирлинга
Кольцевые хомуты на двигателе стирлинга
Компания Sunpower Inc. создала комплект промышленного 1 кВт-го свободнопоршневого двигателя Стирлинга для разработчиков. На сайте указано, что компания ищет потенциальных интеграторов.
Основой технологии Sunpower является свободнопоршневой двигатель Стирлинга (FPSE), изобретенный Sunpower. FPSE преобразует тепло в электричество в герметически закрытом сосуде с помощью термодинамического цикла Стирлинга. Sunpower использует запатентованную технологию газовых подшипников, которая предотвращает контакт во время работы, устраняя износ и необходимость смазки, что приводит к многолетнему, не требующему технического обслуживания производству электроэнергии с высоким КПД. Как свидетельство этого уровня эффективности и надежности, НАСА финансирует разработку и производство SunPower FPSE в качестве потенциальной системы преобразования энергии следующего поколения для дальних космических полетов.
Преимущества
- Не требует технического обслуживания за все время своего существования
- Расчетный срок службы двигателя 20 лет
- Система изменяет мощность в зависимости от спроса на электроэнергию
- КПД больше, чем у термоэлектрических преобразователей
- Более экологически чистые, чем термоэлектрические, газовые или дизельные генераторы
- Тихая работа
- Возможность применения любого топлива
В настоящее время комплект для разработчика на 1 кВт предполагает работу на пропане или природном газе, но если имеется другой источник высокой температуры, возможны варианты перенастройки.
Потенциальные области применения
- Автономные источники электроэнергии
- Системы катодной защиты
- Системы диспетчерсого управления и сбора данных
- Военное
- Морские суда
- Off-grid бесперебойные источники
- Возобновляемая энергетика
Текущий статус разработки
1 кВт двигатель Стирлинга успешно продемонстрировал, что она готов для коммерческого развертывания. Sunpower разрабатывает контроллер двигателя и настраивает заводские компоненты в соответствии с требованиями различных областей применения. В настоящее время комплект на 1 кВт для разработчиков является лабораторией для инженерных подразделений для оказания помощи потенциальным интеграторам и исследовательским группам в понимании технологии и разработке будущих продуктов, основанных на технологии. Пока еще не продукт готов к продаже для конечного потребителя.
Кого ищет SunPower Inc? В идеале, Sunpower ищет потенциальных партнеров с жизнеспособными приложениями и существующей сетью продаж и обслуживания. Sunpower работает над определением ключевых характеристик, необходимых продуктам для различных рынков, и хотели бы работать непосредственно с потенциальными интеграторами, чтобы лучше понять требования.
Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.
Смотрим под катом подробное объяснение, как сделать его своими руками
История
Двигатель Стирлинга. Почти для любого самодельщика эта замечательная штука может стать настоящим наркотиком. Достаточно один раз сделать и увидеть его в работе, как захочется их делать снова и снова. Относительная простота этих двигателей позволяет делать их буквально из мусора. Я не буду останавливаться на общих принципах и устройстве. Про это полно информации в интернете. Например: Википедия. Приступим сразу к постройке простейшего низкотемпературного гамма-Стирлинга.
Для постройки двигателя своими руками нам понадобится две крышки для стеклянных банок. Они будут выполнять роль холодной и горячей части. От этих крышек ножницами отрезается закраина
В одной крышке по центру делается отверстие. Размер отверстия должен быть чуть меньше диаметра будущего цилиндра.
Корпус двигателя Стирлинга вырезается из пластиковой бутылки из под молока. Эти бутылки как раз поделены на колечки. Нам понадобится одно. Надо заметить, что у разных сортов молока бутылки могут чуть-чуть отличаться.
Корпус приклеивается к крышке пластичным эпоксидным составом или герметиком.
В качестве цилиндра прекрасно подходит корпус маркера. У этой модели колпачок по диаметру меньше чем сам маркер и может стать поршнем.
От маркера отрезается небольшая часть. У колпачка срезается часть с верху.
Это вытеснитель. В процессе работы двигателя Стирлинга он перемещает воздух внутри корпуса от горячей части к холодной и обратно. Изготавливается из губки для мытья посуды. В центре приклеивается магнит.
Так как верхняя крышка изготовлена из жести, она может быть притянута магнитом. Вытеснитель может застрять. Чтобы этого не произошло, магнит нужно дополнительно зафиксировать картонным кружком.
Колпачок заполняется эпоксидным составом. С обоих концов сверлятся отверстия для крепления магнита и держателя шатуна. Резьба в отверстиях нарезается непосредственно винтом. Эти винты нужны для тонкой настройки двигателя. Магнит в поршне приклеивается к винту и регулируется таким образом, чтобы находясь в нижней части цилиндра он притягивал вытеснитель. На этот магнит понадобится еще приклеить ограничитель из резины. Подойдет отрезок велосипедной камеры или ластик. Ограничитель нужен для того чтобы магниты поршня и вытеснителя не притягивались слишком сильно. Иначе давления может не хватить чтобы разорвать магнитную связь.
На верхнюю часть поршня наклеивается резиновая прокладка. Она нужна для герметичности и для защиты кожуха от разрыва.
Кожух поршня изготавливается из резиновой перчатки. Отрезать нужно мизинец.
После того как кожух наклеен, сверху клеится еще одна резиновая прокладка. Сквозь резиновые прокладки и кожух шилом протыкается отверстие. В это отверстие вворачивается держатель шатуна. Этот держатель делается из винта и припаянной шайбы.
В качестве держателя коленвала прекрасно подошла упаковка от эпоксидки. Точно такую же баночку можно взять из под шипучих витаминов или аспирина.
У этой баночки отрезается дно и делаются отверстия. В верхней части - для удержания коленвала. В нижней - для доступа к креплению шатуна.
Коленвал и шатун изготавливаются из проволоки. Белые штуки - это ограничитель. Сделан из трубочки от чупа-чупса. От этой трубочки отрезаются маленькие кусочки и получившиеся детали разрезаются вдоль. Так их проще надеть. Высота колена определяется половиной расстояния, которое должен пройти цилиндр от самой нижней точки до верхней точки, в которой перестает действовать магнитная связь.
Итак, у нас все готово для первых испытаний. Сперва необходимо проверить герметичность. Нужно подуть в цилиндр. На все стыки можно нанести пену из жидкости для мытья посуды. Малейшая утечка воздуха и двигатель не заработает. Если с герметичностью все в порядке, можно вставить поршень и закрепить кожух канцелярской резинкой.
В нижнем положении цилиндра вытеснитель должен притянуться на верх. Дальше вся конструкция ставится на чашку с горячей водой. Через некоторое время воздух внутри двигателя начнет нагреваться и выталкивать поршень. В определенный момент магнитная связь будет разорвана и вытеснитель упадет на дно. Таким образом воздух в двигателе перестанет контактировать с нагреваемой частью и начнет охлаждаться. Поршень начнет втягиваться. В идеале поршень должен начать совершать движения вверх-вниз. Но этого может не произойти. Либо давления будет не достаточно для перемещения поршня, либо воздух нагреется слишком сильно и поршень не втянется до конца. Соответственно у этого двигателя могут быть мертвые зоны. Это не особо страшно. Главное, чтобы мертвые зоны не были слишком большими. Для компенсации мертвых зон нужен маховик.
Ещё очень важная часть этого этапа заключается в том, что тут можно прочувствовать принцип работы двигателя Стирлинга. Я помню свой первый стирлинг который не заработал только потому, что ни как не мог врубиться как и за счет чего эта штука работает. Здесь же, помогая руками поршню ходить вверх-вниз, можно почувствовать как нарастает и спадает давление.
Эту конструкцию можно немного усовершенствовать, если добавить к ней шприц на верхнюю крышку. Этот шприц также необходимо посадить на эпоксидку, держатель иглы немного подрезать. Положение поршня в шприце должно быть в среднем положении. Этим шприцем можно регулировать объем воздуха внутри двигателя. Запуск и регулировка будет намного проще.
Итак можно насаживать держатель коленвала. Высота крепления шатуна к цилиндру регулируется винтом.
Маховик делается из CD диска. Отверстие залепляется пластичной эпоксидкой. Затем необходимо просверлить дырку точно по центру. Найти центр очень просто. Используем свойства прямоугольного треугольника вписанного в круг. У него гипотенуза проходит через центр. Нужно приложить лист бумаги прямым углом к окраине диска. Ориентация не важна. В местах пересечения сторон листа с окраиной диска наносим метки. Линия проведенная через эти метки будет проходить через центр. Если провести вторую линию в другом месте, то на пересечении мы получим точный центр.
Все двигатель готов.
Ставим двигатель Стирлинга на чашку с кипятком. Немного ждем и он должен сам заработать. Если этого не произойдет, нужно слегка помочь ему рукой.
Процесс изготовления на видео.
Всем привет! Сегодня я хочу представить вашему вниманию самодельный двигатель, который любую разницу температур преобразовывает в механическую работу:
Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.
Материал из Википедии ( Тыц )
Представляю вашему вниманию свой двигатель, сделанный по картинках из Интернета:
Увидев это чудо, у меня возникло желание его сделать)) Тем более на просторах Интернета оказалось много чертежей и конструкций двигателя. Скажу сразу: сделать— не трудно, но отрегулировать и добиться нормальной работы— немного проблематично. У меня он нормально заработал только с третьего раза (надеюсь вы так мучиться не будете)))).
Принцип работы двигателя стирлинга:
Все сделано из материалов, доступных каждому мозгочину:
Ну и как же без размеров)))
Каркас двигателя сделан из проволоки от скрепок. Все неподвижные соединения проволоки-паяные( хорошая статья о пайке )
Вытеснитель (диск который перемещает воздух внутри двигателя) — из чертежной бумаги и склеен суперклеем (внутри он полый):
Чем меньше зазор между крышками и вытеснителем в верхнем и нижнем положении, тем больше кпд двигателя.
Цилиндр поршня- горлышко от обыкновенной пластиковой бутылки:
Кожух поршня сделан из медицинской перчатки и закреплен нитью, которую после намотки нужно пропитать суперклеем для надежности. По центру кожуха приклеен диск из нескольких слоев картона, на котором закреплен шатун.
Коленвал- из тех же скрепок, что и весь каркас двигателя. угол между коленами поршня и вытеснителя- 90 градусов. Рабочий ход вытеснителя- 5мм; поршня- 8мм.
Маховик- состоит из двух CD дисков которые приклеены на картонный цилиндр и посажены на ось коленвала.
Итак, хватит нести всякий бред представляю вам видео работы двигателя:
Трудности, которые у меня возникали, в основном были связаны с избыточним трением и отсутствием точных размеров конструкции. в первом случае капля моторного масла и центровка коленвала исправляла ситуацию, то во втором- приходилось полагаться на интуицию))) Но как видите все вышло(правда 3 раза полностью переделывал двигатель))))
Читайте также: