Меню Рубрики

Холодильник Стирлинга

Двигатель Стирлинга наизнанку – единственный коммерчески успешный проект

С двигателями Стирлинга люди знакомы, информация о них встречается с некоторой регулярностью как о «Тепловых машинах», работающих на разнице температур. Но существуют и охладители Стирлинга, функционирование которых устроено наоборот – на них подаётся энергия, и они высасывают тепло из окружающего пространства. Это явный пример альтернативного холодильника.

Как устроен охладитель Стирлинга

Любой двигатель это замкнутая система по преобразованию одного вида энергии в другой. Если с одного конца подаётся тепло, то с другой стороны пользователь получает механическую или электрическую энергию. Только для этого используются разные циклы:

  • Отто – двигатель внутреннего сгорания;
  • Стирлинга – двигатель внешнего сгорания;
  • Дизеля – дизельный двигатель;
  • Брайтона – газотурбинный двигатель.

Охладитель Стирлинга это по сути тот же самый двигатель, только работающий задом наперёд. Вместо того, чтобы подавать тепло в систему и извлекать энергию, к нему подключают внешнее питание, и он начинает высасывать тепло из окружающей среды.

Из-за этого эффекта теплопоглощения, приёмник тепловой энергии становится всё холоднее и холоднее, ведь идёт постоянная подача энергии в охладитель Стирлинга, и тепло постоянно высасывается из окружающего пространства.

FPSC (Free Piston Stirling Cooler), или Свободно Поршневой Охладитель Стирлинга, отличается от традиционных кинематических морозильников тем, что у него отсутствуют механизмы синхронизации определяющие фазовое соотношение между внутренними компонентами системы. Вместо этого, FPSC ориентируется на давление газа и резонансную настройку управления. Если совсем просто, то с помощью поршня, FPSC попеременно сжимает и расширяет фиксированное количество газа, контролируя место изменения объёма.

Узлы теплообменника разделяют пространство сжатия и расширения, обеспечивая температурный градиент. Он позволяет FPSC высасывать тепло из области пространства расширения, и рассеивать его в области сжатия рабочего газа.

Повторяясь несколько раз в секунду, этот процесс в итоге может создать разницу температур в сотни градусов! Если со стороны расширения, к охладителю Стирлинга прикрепить внешний теплообменник, то холод можно перемещать в нужное место. Например, с помощью перекачиваемого хладагента или принудительной конвекцией воздуха.

Сравнение охладителя Стирлинга с обычным компрессорным холодильником

Система охлаждения на основе компрессора состоит из четырех основных компонентов:

  1. Компрессор – сжимает газообразный хладагент;
  2. Конденсатор – рассеивает тепло сжатого хладагента и охлаждает его, приводя к конденсации газа;
  3. Расширительный клапан – через него сжиженный хладагент попадает в область с нормальным атмосферным давлением;
  4. Испаритель – здесь жидкий газ испаряется, поглощает тепло из окружающего пространства и снова поступает в компрессор.

Цикл повторяется снова и снова, но этот процесс ограничен физическими свойствами хладагента, в частности температурой испарения и давлением при котором газ сжижается.

Основа конденсационных холодильников – обратный цикл Ренкина.

Для достижения разности температур, превышающей примерно 70°С, требуется использование нескольких хладагентов и часто нескольких компрессоров в так называемых каскадных или автокаскадных системах Ренкина. Эти системы ненадежны, неэффективны, дороги и шумны.

Охладитель Стирлинга не использует хладагент. Фактически FPSC может работать практически с любой сжимаемой жидкостью (газом). Использование гелия, в данном случае обусловлено тем, что он инертен, имеет отличные характеристики теплопередачи и не сжижается до -269°C.

Поскольку FPSC не полагается на эвтектические свойства рабочего тела для накачки тепла, а вместо этого опирается на простые законы идеального газа, разность температур, которая может быть создана, теоретически не ограничена.

Кроме того, без необходимости перекачивания хладагента по контуру система охлаждения FPSC может быть полностью модульной, что значительно упрощает обслуживание и ремонт.

И, наконец, поскольку производительность теплового насоса FPSC является функцией степени сжатия, то простой модуляцией хода поршня, можно отрегулировать производительность системы, чтобы она точно соответствовала утечке тепла. Это означает, что FPSC будет использовать только такое количество энергии, которое необходимо для поддержания заданной температуры, и заданный показатель может поддерживаться с гораздо большей точностью и эффективностью, чем система с термостатическим управлением.

В отличие от «каскадных систем» с двумя компрессорами и контурами охлаждения в последовательном расположении, двигатель Стирлинга использует один поршень с возвратно-поступательным движением и непрерывный термосифон с гравитационным приводом для охлаждения внутренней части устройства. Если в каскадных системах температура регулируется путем включения и выключения компрессоров, линейная система двигателя Стирлинга непрерывно модулируется и адаптируется, управляя движением свободного поршня.

Преимущества уже доступных холодильников Стирлинга может описать в следующих пунктах:

  • Усовершенствованная интегральная линейная система двигателя имеет только две движущиеся части;
  • Движущиеся части никогда не изнашиваются, потому что газовые подшипники исключают физический контакт (трение) во время движения;
  • Там нет масла, чтобы засорить систему;
  • Там нет клапанов;
  • 100% адаптивная, непрерывная модуляция регулирует температуру без циклов остановки и запуска;
  • Устранено электромеханическое напряжение и резкие перепады силы тока, вызванные включением/выключением;
  • Для надежного охлаждения требуется минимальное профилактическое обслуживание .

И что особенно привлекает, холодильники Стирлинга практически бесшумны.

Реализованные коммерческие холодильники Стирлинга

Есть несколько фирм, которые предлагают такие модульные холодильники Стирлинга, с весьма привлекательными характеристиками. Например модель ULT25NEU от голландской фирмы Stirlingultracold, работая от одного аккумулятора 60 Ач, может в течении суток поддерживать внутри температуру -40˚C, размеру устройства 70х35х45 см, масса 21 кг, внутренний объём 25 л.

Японская фирма Twinbird тоже предлагает несколько решений, например SC-DF25 DEEP FREEZER 25L с аналогичными размерами и внутренним объёмом, но массой 15 кг. Японцы продают и отдельные охлаждающие модули Стирлинга, допустим вот такой SC-UE15 FPSC Модуль UE15. Он весит всего 3,5 кг, за 10 минут температура головки опускается до -80˚C, работает от 48 В и потребляет 120 Ватт. Точность регулировки температуры 0,1˚C.

Такой модуль можно встроить куда угодно, тем более что гарантия на холодильники Стирлинга от 12 лет.

Все охладители Стирлинга рассчитаны на рабочую температуру -80˚C.

 

Производители предлагают встраивать такие модули в автомобили-рефрижераторы, мобильные и бытовые холодильники. По уровню экономичности, безопасности и шумности, они вне конкуренции.

 

Что делать с теплом от холодильника Стирлинга

Это обычный треугольник Стирлинга:

  • Электричество (механическая энергия);
  • Тепло;
  • Холод.

Ведь все эти компоненты можно осваивать в одном устройстве!

Этим занялся международный консорциум университетов, чтобы обеспечить бедные и развивающиеся страны таким универсальным устройством.

По ходу работ выяснилось, что для разработки такого устройства требуются высокие технологии, а для создания и обслуживания — низкие. Цена на такой альтернативный источник тепла-холода-электроэнергии остается низкой, и комбинированная печь окажется полезной в повсеместном использовании.

Устройство консорциума основано на термоакустической технологии, которая активно разрабатывалась в Лос-Аламосских лабораториях. По сути, устройство является двигателем Стирлинга.

Дровяная печь прикреплена к трубе, которая имеет форму, похожую на импульсный реактивный двигатель. Тепло от печи вызывает резонансную волну в трубе, которая высасывает тепло из воздуха на другом конце. Следовательно, печь обладает способностью обеспечивать тепло на одном конце трубы и охлаждение другой стороны резонатора.

Для выработки электричества в трубу помещают мембрану, которая вибрирует взад-вперед с резонирующим газом, что может быть использовано для выработки электроэнергии.

Устройство-прототип

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock detector