Температурный градиент.
Первое, с чего проще всего начать - температурный градиент. Стирлинг-двигатель работает при наличии разности температур между горячей и холодной камерами. Увеличив градиент мы увеличим снимаемую мощность двигателя. Не стоит сразу менять пламя спиртовки на газовую горелку. Любое форсирование должно быть разумным. Градиент, как уже было сказано, это разность температур. По этому прежде, чем увеличивать температуру нагрева, стоит попробовать понизить температуру холодной камеры двигателя.
Начать стоит с простого алюминиевого кулера от процессора или видеокарты. Есть два варианта его применения в Вашем Стирлинге: первый - "от балды" и второй - "научный". "От балды" - берем любой кулер и крепим его на охлаждаемую поверхность термопастой от процессора. Оцениваем результат по изменению оборотов двигателя (в случае успеха они должны увеличиться). Вариант второй - измеряем рабочую температуру охлаждаемой части Стирлинга после выхода на рабочие обороты. Зная площадь охлаждаемой поверхности и теплопроводность материала, из которого она сделана можно рассчитать количество рассеиваемого в единицу времени тепла. Дальше "лезем" в документацию по радиаторам и кулерам и ищем подходящий по рассеивающей способности для данной температуры пассивный радиатор.
Применяя данную методику можно пойти еще дальше - расчитать, сконструировать и изготовить радиатор под Ваш двигатель. А вот каким он будет - сухим, влажным, активным пассивным - нет предела фантазии конструктора. И все по науке! В конце такой миниисследовательской работы Вы получите гарантированный прирост мощности Стирлинга. Дальше можно применить еще более глубокое охлаждение - лед.
С каждым новым шагом по снижению температуры холодной части двигателя контролируйте обороты, если они снова начали падать, значит Вы переохладили двигатель и подводимой энергии недостаточно. Только после этого стоит попробовать понемногу увеличивать температуру нагревателя, обороты можно еще повысить, но КПД это уже не прибавит.
Почему в такой последовательности - полагаем длинно разъяснять не надо. Вы и так давно поняли. Увеличивая нагрев увеличиваем расход энергии. Улучшая охлаждение - оптимизируем работу Стирлинга, повышая КПД.
Формулы и упрощенную методику для расчета кулера Вы найдете разделе ТЕОРИЯ
Идем дальше!
Герметичность
Внимание!
Бич всех Стирлингов - герметичность рабочей полости. Если возникают утечки - катастрофически падает КПД! Из-за этого низкотемпературники могут вообще не запускаться, хотя все детали и узлы изготовлены хорошо.
Форсирование можно начать, меняя именно этот критерий - герметичность. Для Альфа-Стирлингов все определяется уровнем изготовления цилиндро-поршневых групп.
Первое - качество обработки трущихся поверхностей.
Второе - материалы цилиндра и поршня горячего цилиндра. Если они изготовлены из разных материалов, имеющих неодинаковый коэффициент теплового расширения, то во время работы зазор между цилиндром и поршнем увеличится (если коэффициент расширения для материала цилиндра выше соответствующего для материала поршня). Возникнет утечка рабочего тела. Даже если поршень и цилиндр изготовлены из одного материала утечки также могут возникнуть, когда коэффициент теплового расширения материала высок (у алюминия, например).
Для Бета- и Гамма-Стирлингов кроме "поршневых дел" особого внимания требует изготовления сальника теплообменного цилиндра и проходящего через него штока дисплейсера. Проблемы те же. Есть кардинальное решение вопроса герметичности сальника - изготовление бесконтактного сопряжения - магнитной муфты с вертикальной подвижностью. Хотя для моделей малого масштаба это нецелесообразно.
Очень распространенный прием в моделировании Стирлингов - замена рабочего поршня мембраной с прикрепленным к ней шатуном. Мембрана обеспечивает полную герметичность соединения. Если масштабы Вашего Стирлинга позволяют "прокачать" его магнитной муфтой и мембраной достаточной прочности - Вам открыта дорога к увеличению рабочего давления двигателя - весьма действенный метод форсирования. Но об этом позже.
Балансировка
Одним из важных условий устойчивой работы двигателя является правильная балансировка.
Особенно это критично для низкотемпературных Стирлингов, где снимаемая мощность минимальна и все зависит от качества изготовления модели.
При разбалансированности ведущего вала двигатель не сможет набрать максимальные обороты. Полезная мощность перейдет в вибрацию.
Напомним, в Альфа-Стирлингах диаметры и, соответственно, веса поршней одинаковы, но шатуны, в большинстве случаев, имеют общую точку крепления, с разносом шатунов на угол в на 90 градусов.
В Бета- и Гама-Стирлингах, ко всему прочему, рабочий поршень и дисплейсер неравновесны. Балансируют, как правило, маховик - это проще. Как уже упоминалось, для решения проблемы имеются два подхода. Первый описывать не будем. И так все ясно.
"Научный" подход: взвесить по отдельности поршень и дисплейсер с прикрепленными шатунами на весах. Зная вес и измерив плечи рычагов, образуемых коленцами коленвала можно вычислить
некомпенсированную
равнодействующую в ньютонах. Переведя ньютоны в единицы массы - граммы (1 Ньютон = 100 грамам) получим значение массы для противовеса. Дальше можно перерасчитать величину противовеса в сторону уменьшения, увеличивая плече воздействия - диаметр маховика всегда позволяет это сделать. Правильно отбалансированный Стирлинг дает большее число оборотов в единицу времени, устойчиво работает в режиме разогрева и остывания горячей полости, быстрее запускается.
Трение.
В поршневых стирлингах основное трение возникает в цилиндро-поршневых подвижных соединениях. Минимизируйте трение в подшипниках любым возможным способом.
Чем оно ниже, тем выше снимаемый КПД и соответственно выше обороты двигателя. Качество подшипников очень важно для низкотемпературных Гамма-Стирлингов. В простейших моделях, как таковые, подшипники не используют. Просто делают в жестяных стойках отверстия по диаметру коленвала. На сам коленвал надевают несколько шайб, снимающих боковое трение маховика или фиксаторов бокового проскальзывания.
Этот способ достаточно действенен. Но есть распространенная ошибка. Отверстия пробиваются шилом или гвоздем.
Края выходят рваные и диаметр не всегда соответствует диаметру вала. Возникает небольшой люфт. Результат - снижение оборотов двигателя. В низкотемпературном, но оборотистом Гамма-Стирлинге люфт снижает обороты двигателя на 20-30%. К тому же люфты в подшипниках скверно влияют на балансировку. Эстетичность двигателя также страдает. Он работает со стуком и скрипом. В общем приятного мало.
В отдельных случаях, если модель правильно отбалансирована и имеет низкое трение во всех узлах - наблюдается эффект самозапуска после подведения источника тепла. Выглядит очень эффектно! Стремитесь к такому качеству изготовления.
Регенератор.
Регенератор или теплообменник - устройство экономии подводимой к Стирлингу энергии. Простейшй регенератор выполнены из стальной, реже медной проволоки-путанки или многослойной сетки. Смысл его работы в отборе части тепла у разогретого рабочего тела, проходящего через регенератор из горячей полости и последующей отдаче охлажденному рабочему телу, двигающемуся из рабочего цилиндра.
В дальнейшем мы опубликуем упрощенные методы расчета регенератора для моделей Стирлингов. А пока, отметим, что экономичность Стирлинга. сопоставимая и превосходящая двигатели внутреннего сгорания в основном достигается за счет правильной конструкции регенератора.
В моделировании регенераторы используют не часто. Для двигателей с малыми рабочими объемами размеры регенератора сопоставимы с размерами камер горячего и холодного цилиндров. В результате создаваемый дополнительно мертвый объем почти полностью "пожирает" прирост КПД. Единственным исключением может быть кольцевой щелевой регенератор примененный в конструкции двигателя Била. Этот вариант можно рекомендовать для использования в моделях высокотемпературных Стирлингов.
В остальном - регенераторы для исследователя - "не паханное поле". Во всяком случае подробной информации в открытых источниках на сегодня очень мало. Регенератор - "ноу-хау" любого разработчика Стирлинг-машин. Так что - дерзайте!
Давление в системе.
На мощность двигателя весьма существенно влияет базовое давление рабочего тела в системе. Все зависит от правильного расчета и качественного исполнения двигателя. В любом случае прирост давления ведет к увеличению мощности. В некоторых моделях - увеличение давления в 2 раза дает такой же прирост мощности. Если все вышеперечисленные методы форсирования пройдены увеличивайте давление. В качестве компрессора подойдет автомобильный электронасос. В среднем он обеспечивает давление от 4 до 7 атмосфер (в зависимости от производителя). Для контроля давления все подобные автонасосы оснащены манометрами, что облегчает контроль и безопасность. В крайнем случае можно применить ручной насос, оснастив его ресивером и манометром.
Рабочее тело.
Последним действенным методом увеличения удельной мощности Стирлингов является замена рабочего тела.
Самый лучший результат у водорода и гелия. Эти газы обладают высокой теплоемкостью и малой вязкостью, что положительно сказывается на КПД двигателя.
Прирост мощности может составить 200-300% по сравнению с воздухом. Беда в том, что водород взрывоопасен в смеси с воздухом (КВП-концентрационные пределы воспламенения водорода варьируют в пределах 3-98; это значит, что воздушные смеси с объемным содержанием водорода от 4% до 75% взрываются как от открытого пламени, так и от закрытого источника тепла или статического электричества). Очень опасный газ.
Гелий - газ инертный , но, как и водород обладает высокой способностью просачиваться через подвижные соединения - возникают большие утечки. По этому, в высокотемпературных двигателях Стирлинга, для начала стоит применить простые газы - азот, углекислый газ. Выясните их теплоемкость в зависимости от влажности и поэкспериментируйте.
В низкотемпературных Стирлингах имеет смысл применить пары легкокипящих жидкостей (ацетон, спирт и т.д.). Будьте осторожны! КВП паров этих жидкостей гораздо уже, чем у водорода, но не менее опасны. При проведении таких экспериментов НИКОГДА не используйте открытое пламя!!!
Перед работой снимайте все синтетические вещи - они дают статический заряд. После этого возьмитесь рукой за заземленный предмет - батарею отопления например - так Вы снимите с тела статическое напряжение.
Не пренебрегайте элементарными правилами безопасности при работе с легковоспламеняющимися парами жидкостей и горючими газами.
В противном случае Ваш двигатель превратится в настольную бомбу, а Вы - в непоседливый детонатор к ней.