Двигателите или термопомпени Стирлинг - са системи, които могат да работят при изключително ниска температурна разлика. Някои изпълнения на двигателя Stirling да работят достатъчно дори човешкото тяло топлина. В тази статия ще разгледаме динамиката на тази интересна машина, която може да се изгради у дома, и да й покаже как да се създаде модел в COMSOL Multiphysics.

Модерен прилагане на една стара идея

Първо малко история на двигателя на Стърлинг. Разработен преди два века през 1816 г. от Робърт Стърлинг двигател в момента се нарича "двигателят на бъдещето." Въпреки, че тази технология не е станал много популярен, Стирлинг са широко използвани в много съвременни приложни проблеми. Например, слънчевата изпълнение Стирлинг двигателя директно превръща слънчевата топлина в механична енергия, която от своя страна задвижва генератор и произвежда електричество. Освен това, същият подход се използва за производство на енергия от геотермални и термични изхвърлянето на промишлени предприятия. Може би най-невероятни района, в който са били приложени Стирлинг - шведски подводници; те Стърлинг двигатели осигуряват сцепление дори и без достъп до въздуха.

От топлинната енергия в механична работа

Ние говорихме за някои приложения на Стирлинг, но това, което е принципа на действие на това устройство? В Стирлинг двигател топлинната енергия се преобразува в механична работа по време на цикличен процес. детайли за изпълнение може да се различават, но основният принцип остава същата. Работният флуид преминава през четири процеси: охлаждане, компресия, отопление и разширение. Топлината се прехвърля от горещия газ към студената страна на двигателя. ефективност на двигателя не е по-голяма от ефективността на цикъла на Карно.

За разлика от конвенционалните двигатели, Стирлинг не изискват за експлоатацията им при високи температури. Някои двигатели работят успешно в една малка температурна разлика между топли и студени страни. Освен това, те се характеризират с много ниски нива на шум и свързаните загуби на енергия, тъй като процеса на работа не се провежда и без поредици са разпределени отработените газове. В същото време, Стирлинг са най-подходящи за приложения, които изискват постоянна мощност, за да се гарантира, като динамично настройва силата им е изключително трудно. Това е може би най-голямата причина за които ние все още не карам кола с Стирлинг.

Стирлинг двигател задвижвани от топлината на човешката ръка. (Picture "Стърлинг двигател, който работи само на температурната разлика между атмосферния въздух и дланта" собствен участника работа Arsdell достъпен под лиценз Криейтив Комънс .. "Признание - На същите условия", 3.0 на Wikimedia Commons).

Как да създадете свой собствен Стърлинг двигател

Разбира се, на ефективността на двигателя на Стърлинг е малко вероятно да бъде оптимално. По-подходящо решение е да се създаде числен модел на двигателя.

Моделиране на термопомпата в Стирлинг COMSOL Multiphysics на

С помощта на цифров модел на двигателя на Стърлинг, ние можем да се вдигне и да изпробвате различни комбинации от материали и настройки. Методът, описан от уравнения на хидродинамиката и пренос на топлина, и за опростена описание на механичната част на процеса е достатъчно, за да се реши допълнително обикновено диференциално уравнение - уравнението на движение.

Двуизмерният ротационно-симетрични модел се състои от основна цилиндър, който съдържа работната среда (въздух) и буталото. Малкият цилиндъра се намира над буталото диск. И двете бутала са свързани паралелно и се движат на коляновия вал, върху която са разположени на разстояние по фаза на 90 °. Коляновият вал на модела не е включена. Този вид Стърлинг двигател се нарича конфигурация гама.

Модел Стърлинг термопомпа.

Тук проблемът за пренос на топлина в работния газ вече е решен. Механично страна процес се реализира чрез подвижна решетка (ALE). заместителя и устройство бутало може да се движи свободно в посока Z. Комплект компенсира съответства на термопомпата. Където механичната работа се използва за прехвърляне на топлинна енергия в посока, обратна на посоката на спонтанно пренос на топлина. Обратният процес - на действителната работа на двигателя на Стърлинг - може да се моделира с помощта на източник на топлина и изчисляване на крайния сила на натиск върху буталото с кола и за избутване. Във всеки случай, системата работи верига от процеси, които съответстват на четирите фази на цикъла на Карно:

Термодинамични процеси, действащи на работния флуид.

Ефективност на такъв цикъл е далеч от цикъла на Карно, но полученият графиката на натиск спрямо обем, който виждате по-долу, съвпада с експериментални данни.

Графика на налягането в обема на цикъла Стирлинг.

Основното предимство на този модел е, че можем да изучаваме физичните явления в термопомпата. Например, представени по-долу анимационен образ показва разпределението на скоростите по време на работа на термопомпата.

Разпределението на скоростта по време на работа на термопомпата.

Буталото предава с помпите, топлината, което означава, че ние можем да изучаваме динамично разпределение на температурата по време на работа на термопомпата механичната енергия.