Некоторое время назад, мы рассматривали двигатель Стирлинга, как интересный вариант преобразования тепловой энергии — в механическое движение, где при этом, подобный способ использования наиболее широко распространен и, потому известен.
Однако интересно, что возможности двигателя Стирлинга этим не ограничиваются, и, существует ещё как минимум один неожиданный вариант его полезного использования — в качестве холодильника! ;-)
Двигатель Стирлинга, с момента его изобретения В 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом и по сей день не потерял свою актуальность, находя интересные применения, что на первый взгляд кажется несколько парадоксальным, в век высоких технологий, однако, его способность использовать внешнюю теплоту для преобразования в движение, используется достаточно широко, ведь для подобного применим очень широкий круг источников тепла, начиная от открытого огня наподобие костра, и заканчивая высокотехнологичным ядерным жаром…
Для п��нимания всего дальнейшего, ещё раз, кратко освежим в памяти, каких типов двигатели Стирлинга бывают.
α-Стирлинг:
β-Стирлинг:
γ-Стирлинг:
Как видим, они все отличаются конструктивно — это обусловлено их историческим развитием, где самый последний тип (γ-Стирлинг) является и самым последним исторически разработанным; также, они отличаются и по эффективности.
Так как в прошлом, в этой статье мы рассматривали их весьма подробно, и желающие узнать о технических особенностях каждого типа, могут обратиться к ней, то здесь мы не будем ещё раз повторяться.
Для нас, интересным во всём этом является следующий момент — сам принцип действия двигателя, который наглядно можно наблюдать на анимированных картинках выше: нетрудно заметить, что каждый из типов двигателя содержит красную и условно синюю зону — это не случайно, так как цветами на картинках условно показаны участки двигателя, в которых рабочий газ нагревается или охлаждается, соответственно, сжимаясь или расширяясь.
Соответственно, чаще всего, двигатели Стирлинга приводят в действие, нагревая ту зону, которая показана красным цветом, из которой газ перетекает в зону с синим цветом, охлаждаясь и сжимаясь, а возникающие при этом усилия, соответственно, приводят во вращательное движение вал двигателя.
Ключевым во всём этом является то, что двигатель представляет собой обратимую машину: если подводить к нему внешние тепло — оно будет преобразовываться в механическое движение, однако, если прикладывать к двигателю механическое движение — оно будет преобразовываться в тепло и холод соответственно!
Для получения холода, могут использоваться конструкции всех типов, однако, из-за компактности, минимальных потерь, а также минимального мёртвого объёма (из-за максимальной приближенности горячей и холодной зоны друг к другу), считается, что β-Стирлинг наиболее эффективен в этом смысле.
Когда мы говорим о получении холода, естественно, в случае Стирлинга, даже речь не идёт о том, что он может быть более эффективным для производства холод��, по сравнению с широко распространёнными холодильниками или, например, кондиционерами типа сплит-систем — так как, например, если традиционные холодильные машины разных типов, могут достигать коэффициента преобразования по холодопроизводительности в районе 3,5 и более (т.е. на каждый 1 кВт потреблённый электроэнергии, отбирается 3,5 кВт тепла из зоны охлаждения; несмотря на внешне выглядящее как парадокс, здесь нарушения закона сохранения энергии нет, так как просто происходит перенос тепла из одного места в другое, а не непосредственное производство холода из электроэнергии).
В свою очередь, лучшие Стирлинги, могут показывать коэффициент преобразования (в режиме холодильника) где-то до 1,8 (а реально существенно меньше).
Но, у двигателей Стирлинга есть одно преимущество, малодостижимое для классических холодильных машин: получение криогенных температур (в режиме холодильника) — где ещё в 1970 годах, были зафиксированы температуры, полученные на базе β-Стирлинга, около -260°C.
Несколько раньше, мы говорили о том, что в криогенной индустрии сейчас главенствуют так называемые «турбодетандеры» — установки на базе крыльчаток особой конфигурации, проходя которые, газ расширяется, совершает работу (читай «теряет энергию»), в результате чего существенно охлаждается.
Они позволяют получать сжиженные газы тоннами из воздуха (изобретение академика П.Л.Капицы, 1930-х годов, за которое он получил Нобелевскую премию в 1978 году).
Но здесь нет противоречия, так как турбодетандеры предназначены для получения сжиженных газов в промышленных количествах (тонны в день), тогда как крио охладители на базе двигателей Стирлинга, позволяют получать криогенные температуры и сжиженные газы, в небольших количествах, например, для лабораторий, а также охлаждать детали машин и установок (например, МРТ-аппаратов).
При этом, газ внутри самого Стирлинга продолжает оставаться в замкнутом объёме, а сжижение происходит за счёт того, что холодная часть двигателя Стирлинга, обычно называемая «холодный палец» (Cold Finger), находится в соприкосновении с ёмкостью (то есть, от холодной части Стирлинга отводится специальное оребрение (или иной тепловой мост), которое входит в замкнутую ёмкость со сжижаемым газом, в которую и подаётся под давлением газ и оттуда же ведётся его забор в жидком виде).
Причём, что интересно, современная инженерия несколько ушла в части β-стирлингов от классической конструкции, показанной выше, где оба поршня находятся в одном цилиндре, с непосредственным механическим приводом от коленвала — это сделано для избавления от вибраций и ещё большего отделения холодной зоны от горячей: таким образом, получается, что относительно шумный и вибрирующий привод находится несколько в отдалении от места получения криогенных температур.
Это позволяет применять подобную установку не только для получения жидких газов, но и для охлаждения чувствительных компонентов: тепловых сенсоров, компонентов МРТ-аппаратов (для охлаждения сверхпроводящих магнитов) и т.д.).
Принципиальная схема подобной модификации показана ниже:
Как видно, цилиндр с вытеснителем и холодным пальцем находится отдельно, а газ циркулирует между ним, и двухпоршневым компрессором, где поршни подвешены на специальных гибких подвесах, таким образом, что они могут колебаться вверх-вниз, но ограничены в колебаниях вправо-влево, таким образом, ограничен и их физический износ от излишнего трения об цилиндр.
Привод поршней компрессора организован электромагнитный, наподобие того, как это сделано в аудио динамиках.
Рабочим газом в подобных установках является гелий, закачанный под давлением в 10-30 бар.
Может показаться, что «вот она, вершина технологий»! :-) Однако, как выясняется, вовсе нет: так как, начиная приблизительно С 1960-х годов зародилась и активно развивается следующая модификация, ещё более совершенная, в которой второй поршень (вытеснитель) — вообще отсутствует!
Это упрощает конструкцию, увеличивает её надёжность, и, как выяснилось, кардинально уменьшает количество вибраций, а сама модификация получила название «охладитель на импульсных трубках» (Pulse Tube Refrigerator, PTR).
Предваряя возникший вопрос: несмотря на относительно давний год возникновения подобных разработок, они широко не использовались, в виду недостаточного понимания учёными, всей физики процесса, поэтому, в серию пошли более простые и понятные аппараты, наподобие описанного выше с разнесёнными цилиндрами.
Как работать с импульсными трубками (проектировать нужные и т.д.), — понимание учёным пришло только на рубеже 2000-х годов.
К тому же, КПД подобных установок примерно на 40% ниже, чем у показанных выше, с разнесёнными цилиндрами.
Однако их плюс в том, что они могут быть очень простыми, компактными, и, в виду отсутствия вибраций, незаменимыми в ряде применений, где не нужна высока�� производительность.
Принципиальная схема подобной конструкции показана ниже:
Смотрим слева-направо: как мы видим, поршень остался только один, и может двигаться вправо-влево; сразу после поршня, находится зона газа, комнатной температуры (Тн - High Temperature), который при движении в поршне вправо, нагревается, и отдаёт свою теплоту окружающей среде, с помощью теплообменника (Х1).
Сразу после теплообменника следует область регенератора (regenerator), под которым понимается пространство, заполненное металлической сеткой, или металлическими шариками, между которыми газ протискивается из одной стороны цилиндра в другую.
Задача регенератора — «преднагреть» или «предохладить» газ, при перетекании из одной стороны цилиндра в другую. То есть, в этой зоне наблюдается градиент температуры — правая часть регенератора несколько охлаждена, левая часть регенератора несколько нагрета.
Таким образом, газ, перетекая из одной части цилиндра в другую, уже частично подготовлен к той температуре среды, в которую он сейчас вольётся и, «не роняет» / «не повышает» её слишком сильно (это улучшает КПД установки).
После регенератора установлен второй теплообменник (Х2), который может отбирать тепло у окружающей среды, так как постоянно существенно охлажден* протекающим газом, низкой температуры (ТL - Low Temperature) — то есть, от него можно отвести оребрение и использовать, например, для сжижения газа (в отдельной внешней ёмкости, за пределами цилиндра) или охлаждения полезного объекта.
*Охлаждение осуществляется при обратном ходе поршня, справа-налево.
Далее, мы видим отрезок трубы, между Х2 и Х3, под названием «Pulsbuis» (Импульсная трубка), где и происходит сжатие газа, после чего он отдаёт свою теплоту последнему теплообменнику X3 и, трубка заканчивается очень оригинальным изобретением, — ограничителем прохода газа (irifce), соединённым с буфером (buffer).
Суть всей этой конструкции заключается в том, что был убран механический поршень-вытеснитель, свойственный одной из модификаций двигателя Стирлинга β-типа, и, для осуществления его работы (несмотря на то, что он сам физически отсутствует) и была поставлена эта конструкция, с узеньким проходом и буферной ёмкостью.
Мне самому было это всё достаточно сложно понять, и я вчитывался раз 20, прежде чем понял (как мне кажется :-D).
Если кто-то сможет это объяснить проще и легче, буду только рад ! ;-)
На мой взгляд, схема работы выглядит следующим образом (если совсем по-простому, не влезая в дебри): при движении поршня слева-направо, происходит перетекание газа в правую часть, со сбросом его относительно высокой температуры на теплообменниках X1 и X3 (где Х3 особенно важен, так как он позволяет сбросить температуру и уменьшить объём газа, чтобы его больше поместилось в буферную ёмкость — buffer).
При движении поршня в обратном направлении, справа-налево, в правой части цилиндра возникает разряжение, благодаря чему, температура в этой зоне падает, и начинается отбор тепла от полезного объекта, с помощью теплообменника X2.
Дополнительный эффект всему этому добавляет то, что в зону разрежения начинает активно втекать газ из буферной ёмкости, попутно расширяясь через дроссель (orifice), где при расширении его температура также падает, соответственно, в правой части температура ещё более понижается, и начинается ещё более активный отбор тепла от полезного объекта, с помощью теплообменника X2.
Кстати говоря, и я об этом я говорил в статьях ранее, дросселирование (расширение газа, при выходе из маленького отверстия), — исторически один из самых первых способов научного достижения криогенных температур.
Попутным эффектом этого расширения является то, что расширяющийся газ заполняет всю правую часть, активно стремясь перетечь сквозь теплообменник X2 в левую часть — таким образом, мы видим, что буферная ёмкость является как дополнительным элементом, непосредственно создающим низкую температуру, так и вытеснителем, помогающим газу перетечь из правой части, обратно в левую часть.
В качестве рабочего газа в таких установках также применяется гелий (10-30 бар), в виду его высокой теплопроводности и способности быстро проникать сквозь относительно тонкие каналы регенератора.
Таким образом, подытоживая, можно сказать, что, похоже, не только электродвигатель является обратимой машиной, но и тепловые машины к этому тоже склонны, что мы и могли сейчас наглядно увидеть… ;-)
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
