Михаил Азанов - Стирлинг Азанова

Предлагаемый поршень-вытеснитель формой может напоминать сегмент шара, параболическую антенну, кубок, рюмку или иное тело вращения, а может иметь в плане форму многоугольника. Ещё более интересен и перспективен вариант с рёбрами жёсткости и развитыми фрактальными поверхностями, значительно увеличивающими площади теплообмена.

Материал предлагаемого поршня-вытеснителя должен иметь низкую теплопроводность, например, керамоматричный композит, это возможно, поскольку работа стирлинга происходит без взрывов и резких ударов, а на верхней и нижней его поверхностях может быть сделано покрытие из тонкой фольги или напыление металла с высокой теплопроводностью, например, меди.

В результате, большой диаметр поршня-вытеснителя, а также соответственно большие теплоподводящие и теплоотводящие внутренние поверхности головки цилиндра, сопрягаемые в положениях «мёртвых точек» с верхней и нижней поверхностями поршня-вытеснителя, создают условия для гораздо более интенсивного прогрева объёма рабочего газа, находящегося между поршнем-вытеснителем и теплоподводящей внутренней поверхностью головки цилиндра, и гораздо более интенсивного охлаждения объёма рабочего газа, находящегося между поршнем-вытеснителем и теплоотводящей внутренней поверхностью цилиндра. В некоторых случаях площадей теплообмена будет достаточно, чтобы отказаться от нагревательных трубок, что дополнительно уменьшит «мёртвый» объём.

Поскольку предлагаемый поршень-вытеснитель обладает существенно большим диаметром, то, очевидно, чтобы «вытеснять», «описывать», «ометать» – в литературе применяются разные термины – тот же объём рабочего газа, что и классический поршень-вытеснитель, диаметр которого равен или близок к диаметру рабочего поршня, предлагаемый поршень-вытеснитель должен иметь меньший ход по сравнению с классическим вариантом! Это условие важно для сохранения равенства масс рабочего газа в рабочих объёмах классического и предлагаемого цилиндров для последующего расчётного сравнения с двигателем-прототипом . Позже расчёт такой зависимости хода от диаметра предлагаемого поршня-вытеснителя будет показан на реальном примере. Причём ход рабочих поршней сравниваемых схем должен оставаться равным , чтобы расчётная производимая работа была максимально одинаковой для обеих сравниваемых схем.

Такое расчётное сравнение является целью настоящей работы , а критерием перспективности предлагаемого поршня-вытеснителя будет получение равенства производимой работы для обеих сравниваемых схем при условии равенства масс рабочего газа и диаметров рабочих поршней.

Почему только равенство, а не превосходство? Причина в том, что пока нет достаточно простой и надёжной методики расчёта главного бесспорного преимущества предлагаемого поршня-вытеснителя – интенсификации теплообменных процессов.

Для сравнения необходимо использовать реальный, действующий двигатель Стирлинга с хорошо известными параметрами и, если расчёт покажет, что предлагаемый поршень-вытеснитель при той же массе рабочего газа и прочих равных условиях не ухудшит показателей «эталонного», взятого за образец двигателя-прототипа, то этого будет достаточно. Это будет означать, что неучтённые в нижеприведённых расчётах преимущества предлагаемого поршня-вытеснителя и соответствующей ему головки цилиндра, а именно – повышенная конвекция и площадь теплового излучения, делают их более перспективными в сравнении с классическими. Подчеркну ещё раз: рабочий газ распределяется между теплоподводящими и теплоотводящими внутренними стенками головки цилиндра и предлагаемым поршнем-вытеснителем с его большей площадью и меньшим ходом на большей площади более тонким «слоем», что способствует более интенсивному нагреву и охлаждению газового рабочего тела.

Расчёт двигателя Стирлинга «с нуля» невозможен без сложного итерационного процесса с коррекцией теоретического расчёта по результатам практических лабораторных экспериментов, измерений реальных узлов.

Такой возможности у меня нет и поэтому я вынужден был заняться поиском в интернете реального, уже созданного, апробированного и хорошо изученного двигателя Стирлинга, чтобы применить к нему наиболее работающие алгоритмы расчёта и убедиться, что предлагаемый поршень-вытеснитель, по крайней мере, не хуже классического.

Конечно, для большей убедительности хотелось бы взять за образец бета-стирлинг, но, к сожалению, поскольку все дорожатся своими тайнами, мне не удалось найти достойного «кандидата» среди бета-стирлингов, но я таки нашёл прекрасный, «заезженный» дотошными студентами-экспериментаторами немецкий альфа-стирлинг ST05G-CNC, для которого удалось найти достаточно подробные описания и даже чертежи (см., например, видео: https://www.youtube.com/watch?v=N809s2raaqk). Поскольку отличие расчёта альфа- и бета- стирлингов непринципиально, то, буду считать, мне крупно повезло.

Паспортные данные двигателя ST05G-CNC:

Мощность: 500 Вт при 500 об/мин, макс. частота вращения двигателя: 750 об/мин;

максимальная температура нагревательной головки: 550° C;

рабочее давление газа: 10 бар (1 000 000 Па), ограничено герметичным предохранительным клапаном 11 бар (1 100 000 Па);

рабочий газ: азот, условно сухой, очищенный от масла сжатый воздух, другие газы могут вызвать повреждения в результате коррозии или превышения скорости вращения;

ход штока: 75 мм, диаметр поршня-вытеснителя – 96 мм, рабочего поршня – 85 мм;

основные размеры: прибл. 410 * 375 * 780 мм, общий вес: 33,5 кг.

Мёртвый объём V d– это весь объём двигателя, который не участвует в расширении или сжатии, т.е. сумма объёмов охладителя Vk, регенератора Vr и нагревателя Vh:

Примечание : давление в двигателе ST05G-CNCневысокое и нет угрозы смятия оболочки поршня-вытеснителя, который поэтому не сообщается с общим объёмом двигателя, а его внутренний объём не учитывается как часть мёртвого объёмаи не входит в формулу.

Общий вид двигателя и его разрез:

Рис. 3

Нагревательная головка с 20-ю нагревательными трубками 8-ми мм диаметра:

Рис. 4

Далее мне повезло ещё больше: я нашёл в архиве NASA