Cykl Stirlinga

Cykl Stirlinga to cykl termodynamiczny opisujący ogólną klasę urządzeń Stirlinga. Obejmuje to oryginalny silnik Stirlinga , który został wynaleziony, opracowany i opatentowany w 1816 roku przez Roberta Stirlinga z pomocą jego brata, inżyniera .

Idealne cykle Otto i Diesla nie są całkowicie odwracalne, ponieważ obejmują wymianę ciepła przez skończoną różnicę temperatur podczas nieodwracalnych izochorycznych / izobarycznych procesów dodawania ciepła i oddawania ciepła. Nieodwracalność powoduje, że sprawność cieplna tych cykli jest mniejsza niż w przypadku silnika Carnota działające w tych samych granicach temperatury. Innym cyklem, w którym występują izotermiczne procesy dodawania i oddawania ciepła, jest cykl Stirlinga, który jest zmienioną wersją cyklu Carnota, w którym dwa procesy izentropowe występujące w cyklu Carnota są zastąpione dwoma procesami regeneracji o stałej objętości.

Cykl jest odwracalny, co oznacza, że zasilany mechanicznie może działać jako pompa ciepła do ogrzewania lub chłodzenia , a nawet do chłodzenia kriogenicznego . Cykl definiuje się jako zamknięty obieg regeneracyjny z gazowym płynem roboczym. „Obieg zamknięty” oznacza, że płyn roboczy jest trwale zawarty w układzie termodynamicznym . To również klasyfikuje urządzenie silnikowe jako zewnętrzny silnik cieplny . „Regeneracyjny” odnosi się do zastosowania wewnętrznego wymiennika ciepła zwanego a regenerator zwiększający sprawność cieplną urządzenia .

Cykl jest taki sam jak większość innych cykli cieplnych, ponieważ istnieją cztery główne procesy: sprężanie, dodawanie ciepła, rozszerzanie i usuwanie ciepła. Jednak procesy te nie są dyskretne, ale przejścia zachodzą na siebie.

Cykl Stirlinga to wysoce zaawansowany temat, który przez ponad 190 lat wymykał się analizie wielu ekspertów. Aby opisać cykl, wymagana jest wysoce zaawansowana termodynamika. Profesor Israel Urieli pisze: „… różne„ idealne ”cykle (takie jak cykl Schmidta) nie są fizycznie możliwe do zrealizowania ani nie są reprezentatywne dla cyklu Stirlinga”.

Problem analityczny regeneratora ( centralnego wymiennika ciepła w cyklu Stirlinga) jest oceniany przez Jakoba jako „jedny z najtrudniejszych i najbardziej skomplikowanych, jakie spotyka się w inżynierii”.

Wyidealizowana termodynamika cyklu Stirlinga

ciśnienie / objętość wyidealizowanego cyklu Stirlinga. W rzeczywistych zastosowaniach cykli Stirlinga (np. silniki Stirlinga) cykl ten jest quasi-eliptyczny.

Wyidealizowany cykl Stirlinga składa się z czterech procesów termodynamicznych działających na płyn roboczy (patrz diagram po prawej) :

1→2 Dogrzewacz izotermiczny (rozprężanie).
2→3 Izochoryczne odprowadzanie ciepła (stała objętość).
3→4 Izotermiczne odprowadzanie ciepła (sprężanie).
4→1 Izochoryczne dodawanie ciepła (stała objętość).

Wariacje ruchu tłoka

Model czterofazowego cyklu Stirlinga

Większość podręczników termodynamiki opisuje bardzo uproszczoną postać cyklu Stirlinga, składającą się z czterech procesów. Nazywa się to „idealnym cyklem Stirlinga”, ponieważ jest to model „wyidealizowany”, a niekoniecznie cykl zoptymalizowany. Teoretycznie „idealny cykl” ma wysoką wydajność pracy netto, ale jest rzadko używany w praktycznych zastosowaniach, po części dlatego, że inne cykle są prostsze lub zmniejszają szczytowe naprężenia łożysk i innych elementów. Dla wygody projektant może zdecydować się na użycie ruchów tłoka podyktowanych dynamiką systemu, takich jak mechaniczne mechanizmy łączące. W każdym razie wydajność i moc cyklu są prawie tak dobre, jak rzeczywista implementacja wyidealizowanego przypadku. Typowa korba lub łącznik tłoka o tak zwanej „kinematycznej” konstrukcji często powoduje prawie sinusoidalny ruch tłoka. Niektóre konstrukcje spowodują, że tłok „zatrzymuje się” na obu skrajnych skokach.

Wiele połączeń kinematycznych, takich jak dobrze znane „jarzmo Rossa”, będzie wykazywać ruch zbliżony do sinusoidy. Jednak inne powiązania, takie jak „ napęd rombowy ”, będą wykazywać bardziej niesinusoidalny ruch. W mniejszym stopniu idealny cykl wprowadza komplikacje, ponieważ wymagałby nieco większego przyspieszenia tłoka i większych lepkich strat pompowania płynu roboczego. Naprężenia materiałowe i straty podczas pompowania w zoptymalizowanym silniku byłyby jednak nie do zniesienia tylko wtedy, gdy zbliżałyby się do „cyklu idealnego” i/lub przy wysokich prędkościach cykli. Inne kwestie obejmują czas potrzebny do wymiany ciepła, szczególnie dla procesy izotermiczne . W silniku z cyklem zbliżającym się do „cyklu idealnego” może być konieczne zmniejszenie szybkości cyklu, aby rozwiązać te problemy.

W najbardziej podstawowym modelu urządzenia z wolnym tłokiem kinematyka spowoduje prosty ruch harmoniczny .

Wahania objętości

W silnikach beta i gamma generalnie różnica kątów fazowych między ruchami tłoka nie jest taka sama jak kąt fazowy zmian objętości. Jednak w alfie Stirling są takie same. W dalszej części artykułu przyjęto sinusoidalne zmiany objętości, jak w Stirlingu alfa ze współliniowymi tłokami, tak zwanym urządzeniem alfa z „przeciwstawnymi tłokami”.

zastrzeżenie: Wśród wielu nieścisłości w tym artykule wymieniono powyżej współliniową konfigurację alfa. Taka konfiguracja byłaby beta. Alternatywnie byłaby to alfa, która ma niedopuszczalnie nieefektywny system połączeń.

Wykres zależności ciśnienia od objętości

Ten typ wykresu jest używany do scharakteryzowania prawie wszystkich cykli termodynamicznych. Wynikiem sinusoidalnych zmian objętości jest quasi-eliptyczny cykl pokazany na rysunku 1. W porównaniu z cyklem wyidealizowanym, cykl ten jest bardziej realistyczną reprezentacją większości rzeczywistych silników Stirlinga. Cztery punkty na wykresie oznaczają kąt obrotu korby w stopniach .

Adiabatyczny cykl Stirlinga jest podobny do wyidealizowanego cyklu Stirlinga ; jednak cztery procesy termodynamiczne są nieco inne (patrz wykres powyżej):

180° do 270°, ekspansja pseudoizotermiczna . Przestrzeń rozprężania jest ogrzewana z zewnątrz, a gaz ulega rozprężaniu bliskiemu izotermie.
270° do 0°, prawie stała objętość (lub prawie izometryczna lub izochoryczna ) odprowadzanie ciepła. Gaz przepływa przez regenerator , schładzając w ten sposób gaz i przekazując ciepło do regeneratora do wykorzystania w następnym cyklu.
0° do 90°, kompresja pseudoizotermiczna . Przestrzeń sprężania jest chłodzona międzystopniowo , więc gaz ulega kompresji bliskiej izotermie.
dodawanie ciepła o prawie stałej objętości (prawie izometrycznej lub izochorycznej ). Sprężone powietrze przepływa z powrotem przez regenerator i odbiera ciepło w drodze do ogrzewanej przestrzeni rozprężnej.

Z wyjątkiem silnika termoakustycznego Stirlinga żadna z cząstek gazu nie przepływa przez cały cykl. Takie podejście nie nadaje się więc do dalszej analizy cyklu. Zapewnia jednak przegląd i wskazuje cykl pracy.

Ruch cząstek/mas

Rysunek 2 pokazuje linie , które wskazują, jak gaz przepływa przez prawdziwy silnik Stirlinga. Pionowe kolorowe linie wyznaczają objętości silnika. Od lewej do prawej są to: objętość omiatana przez tłok rozprężny (zasilający), objętość luzu (która uniemożliwia kontakt tłoka z gorącym wymiennikiem ciepła), nagrzewnicę, regenerator, chłodnicę, objętość luzu chłodnicy i objętość sprężania omiatana przez tłok sprężający.

Stirling typu alfa. Wersja animowana.

Spadek ciśnienia wymiennika ciepła

Nazywane również „stratami pompowania”, spadki ciśnienia pokazane na rysunku 3 są spowodowane lepkim przepływem przez wymienniki ciepła. Czerwona linia reprezentuje nagrzewnicę, zielona to regenerator, a niebieska chłodnica. Aby właściwie zaprojektować wymienniki ciepła, wymagana jest wielowymiarowa optymalizacja w celu uzyskania wystarczającej wymiany ciepła przy akceptowalnych stratach przepływu. Pokazane tutaj straty przepływu są stosunkowo niskie i są ledwo widoczne na poniższym obrazie, który pokazuje ogólne zmiany ciśnienia w cyklu.

Ciśnienie a kąt korby

Rysunek 4 przedstawia wyniki „symulacji adiabatycznej” z nieidealnymi wymiennikami ciepła. Należy zauważyć, że spadek ciśnienia w regeneratorze jest bardzo niski w porównaniu z ogólną zmianą ciśnienia w cyklu.

Temperatura a kąt korby

Rysunek 5 ilustruje właściwości adiabatyczne rzeczywistego wymiennika ciepła. Linie proste przedstawiają temperatury części stałej wymiennika ciepła, a krzywe temperatury gazów w odpowiednich przestrzeniach. Wahania temperatury gazu spowodowane są efektami sprężania i rozprężania w silniku oraz nieidealnymi wymiennikami ciepła, które mają ograniczoną szybkość wymiany ciepła . Gdy temperatura gazu odchyla się powyżej i poniżej temperatury wymiennika ciepła, powoduje to straty termodynamiczne znane jako „straty wymiany ciepła” lub „straty histerezy”. Jednak wymienniki ciepła nadal działają wystarczająco dobrze, aby umożliwić efektywny cykl rzeczywisty, nawet jeśli rzeczywista sprawność cieplna całego systemu wynosi tylko około połowy teoretycznej granicy .

Skumulowana energia cieplna i praca

Rysunek 6 przedstawia wykres danych silnika Stirlinga typu alfa, gdzie „Q” oznacza energię cieplną, a „W” oznacza energię pracy. Niebieska przerywana linia pokazuje wydajność pracy przestrzeni kompresji. Gdy ślad opada, praca jest wykonywana na gazie, gdy jest on sprężany. Podczas procesu rozszerzania cyklu, faktycznie wykonywana jest pewna praca tłoka sprężania, co odzwierciedla ruch śladu w górę. Pod koniec cyklu wartość ta jest ujemna, co wskazuje, że tłok sprężający wymaga wkładu pracy netto. Niebieska linia ciągła pokazuje ciepło wypływające z chłodnicy wymiennika ciepła. Ciepło z chłodnicy i praca tłoka sprężania mają taką samą energię cyklu. Jest to zgodne z zerowym przenoszeniem ciepła netto regeneratora (ciągła zielona linia). Jak można się było spodziewać, zarówno grzejnik, jak i przestrzeń ekspansji mają dodatni przepływ energii. Czarna kropkowana linia pokazuje wynik pracy netto cyklu. Na tym śladzie cykl kończy się wyżej niż zaczął, co wskazuje, że silnik cieplny zamienia energię cieplną na pracę.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Analiza maszyny cyklu Urieli Stirlinga
Cykl politropowy w silniku Stirlinga Cykl silnika Stirlinga