МенюРубрики

Холодильник Стірлінга

Двигун Стірлінга навиворіт – єдиний комерційно успішний проект

З двигунами Стірлінга люди знайомі, інформація про них зустрічається з деякою регулярністю як про «Теплових машинах», що працюють на різниці температур. Але існують і охолоджувачі Стірлінга, функціонування яких влаштовано навпаки – на них подається енергія, і вони висмоктують тепло з навколишнього простору. Це явний приклад альтернативного холодильника.

Як влаштований охолоджувач Стірлінга

Будь-який двигун це замкнута система з перетворення одного виду енергії в інший. Якщо з одного кінця подається тепло, то з іншого боку, користувач отримує механічну або електричну енергію. Тільки для цього використовуються різні цикли:

  • Отто – двигун внутрішнього згоряння;
  • Стірлінга – двигун зовнішнього згоряння;
  • Дизеля – дизельний двигун;
  • Брайтона – газотурбінний двигун.

Охолоджувач Стірлінга це по суті той же самий двигун, тільки працює задом наперед. Замість того, щоб подавати тепло в систему і витягувати енергію, до нього підключають зовнішнє живлення, і він починає висмоктувати тепло з навколишнього середовища.

З-за цього ефекту теплопоглинання, приймач теплової енергії стає все холодніше і холодніше, адже йде постійна подача енергії в охолоджувач Стірлінга, і тепло постійно висмоктується з навколишнього простору.

FPSC (Free Piston Stirling Cooler), або Вільно Поршневий Охолоджувач Стірлінга, відрізняється від традиційних кінематичних морозильників тим, що у нього відсутні механізми синхронізації визначають фазове співвідношення між внутрішніми компонентами системи. Замість цього, FPSC орієнтується на тиск газу і резонансну налаштування управління. Якщо зовсім просто, то з допомогою поршня, FPSC поперемінно стискає і розширює фіксовану кількість газу, контролюючи місце зміни обсягу.

Вузли розділяють простір теплообмінника стиснення і розширення, забезпечуючи температурний градієнт. Він дозволяє FPSC висмоктувати тепло з області простору розширення, і розсіювати його в області стиснення робочого газу.

Повторюючись кілька разів в секунду, цей процес в підсумку може створити різницю температур в сотні градусів! Якщо з боку розширення, до охолоджувача Стірлінга прикріпити зовнішній теплообмінник, то холод можна переміщати в потрібне місце. Наприклад, з допомогою перекачується холодоагенту або примусовою конвекцією повітря.

Порівняння охолоджувача Стірлінга з звичайним компресорним холодильником

Система охолодження на основі компресора складається з чотирьох основних компонентів:

  1. Компресор – стискає газоподібний холодоагент;
  2. Конденсатор – розсіює тепло холодоагенту стисненого і охолоджує його, приводячи до конденсації газу;
  3. Розширювальний клапан – через нього зріджений холодоагент потрапляє в область з нормальним атмосферним тиском;
  4. Випарник – тут рідкий газ випаровується, поглинає тепло з навколишнього простору і знову надходить у компресор.

Цикл повторюється знову і знову, але цей процес обмежений фізичними властивостями холодоагенту, зокрема температурою випаровування і тиском при якому газ, що зріджується.

Основа конденсаційних холодильників – зворотний цикл Ренкіна.

Для досягнення різниці температур, що перевищує приблизно 70°С, потрібно використання декількох холодоагентів і часто декількох компресорів в так званих каскадних або автокаскадных системах Ренкіна. Ці системи ненадійні, неефективні, дороги і шумні.

Охолоджувач Стірлінга не використовує холодоагент. Фактично FPSC може працювати практично з будь стисливою рідиною (газом). Використання гелію, у даному випадку зумовлене тим, що він інертний, має відмінні характеристики теплопередачі і не зріджується до -269°C.

Оскільки FPSC не покладається на евтектичні властивості робочого тіла для накачування тепла, а замість цього спирається на прості закони ідеального газу, різниця температур, яка може бути створено, теоретично не обмежена.

Крім того, без необхідності перекачування хладагента по контуру система охолодження FPSC може бути повністю модульною, що значно спрощує обслуговування і ремонт.

І, нарешті, оскільки продуктивність теплового насоса FPSC є функцією ступеня стиснення, то простий модуляцією ходу поршня, можна відрегулювати продуктивність системи, щоб вона точно відповідала витоку тепла. Це означає, що FPSC буде використовувати тільки таку кількість енергії, яка необхідна для підтримки заданої температури, і заданий показник може підтримуватися з набагато більшою точністю і ефективністю, ніж система з термостатичним управлінням.

На відміну від «каскадних систем» з двома компресорами і контурами охолодження в послідовному розташуванні, двигун Стірлінга використовує один поршень зі зворотно-поступальним рухом і безперервний термосифона з гравітаційним приводом для охолодження внутрішньої частини пристрою. Якщо в каскадних системах температура регулюється шляхом включення і вимкнення компресорів, лінійна система двигуна Стірлінга безперервно модулюється і адаптується, керуючи рухом вільного поршня.

Переваги доступних холодильників Стірлінга може описати в наступних пунктах:

  • Вдосконалена функція лінійна система двигуна має тільки дві рухомі частини;
  • Рухомі частини ніколи не зношуються, тому що газові підшипники виключають фізичний контакт (тертя) під час руху;
  • Там немає масла, щоб засмітити систему;
  • Там немає клапанів;
  • 100% адаптивна, безперервна модуляція регулює температуру без циклів зупинки і запуску;
  • Усунуто електромеханічне напруга і різкі перепади сили струму, спричинені включенням/виключенням;
  • Для надійного охолодження потрібно мінімальне профілактичне обслуговування .

І що особливо приваблює, холодильники Стірлінга практично безшумні.

Реалізовані комерційні холодильники Стірлінга

Є кілька фірм, які пропонують такі модульні холодильники Стірлінга, з дуже привабливими характеристиками. Наприклад модель ULT25NEU від голландської фірми Stirlingultracold, працюючи від одного акумулятора 60 Ач, може протягом доби підтримувати температуру всередині -40C, розміром пристрою 70х35х45 см, маса 21 кг, внутрішній обсяг 25 л.

Японська фірма Twinbird теж пропонує кілька рішень, наприклад SC-DF25 DEEP FREEZER 25L з аналогічними розмірами і внутрішнім об'ємом, але масою 15 кг Японці продають і окремі охолоджуючі модулі Стірлінга, припустимо ось такий SC-UE15 FPSC Модуль UE15. Він важить всього 3,5 кг, за 10 хвилин температура головки опускається до -80C, працює від 48 В і споживає 120 Ватт. Точність регулювання температури 0,1 C.

Такий модуль можна вбудувати куди завгодно, тим паче, що гарантія на холодильники Стірлінга від 12 років.

Всі охолоджувачі Стірлінга розраховані на робочу температуру -80C.

 

Виробники пропонують вбудовувати такі модулі в автомобілі-рефрижератори, мобільні і побутові холодильники. За рівнем економічності, безпеки і гучності, вони поза конкуренцією.

 

Що робити з теплом від холодильника Стірлінга

Це звичайний трикутник Стірлінга:

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

Адже всі ці компоненти можна освоювати в одному пристрої!

Цим зайнявся міжнародний консорціум університетів, щоб забезпечити бідні і країни, що розвиваються, таким універсальним пристроєм.

В ході робіт з'ясувалося, що для розробки такого пристрою потрібні високі технології, а для створення та обслуговування — низькі. Ціна на такий альтернативний джерело тепла-холоду-електроенергії залишається низькою, і комбінована піч виявиться корисною в повсюдному використанні.

Пристрій консорціуму базується на термоакустіческой технології, яка активно розроблялась у Лос-Аламосских лабораторіях. По суті, цей пристрій є двигуном Стірлінга.

Дров'яна піч прикріплена до труби, яка має форму, схожу на імпульсний реактивний двигун. Тепло від печі викликає резонансну хвилю в трубі, яка висмоктує тепло з повітря на іншому кінці. Отже, піч володіє здатністю забезпечувати тепло на одному кінці труби і охолодження іншого боку резонатора.

Для вироблення електрики в трубу поміщають мембрану, яка вібрує взад-вперед з резонуючим газом, що може бути використано для вироблення електроенергії.

Пристрій-прототип

 

Додати коментар

Вашу адресу email не буде опубліковано. Обов'язкові поля позначені *

\n\n<\/ins>\n","html_block":"\n\n<\/ins>\n","group":"0","resolution_from":"\u221e","resolution_to":"\u221e"}]});\n\n<\/ins>\n","html_block":"\n\n<\/ins>\n","group":"0","resolution_from":"\u221e","resolution_to":"\u221e"}]});","html_block":"","group":"0","resolution_from":"\u221e","resolution_to":"\u221e"}]});\n<\/ins>\n\n<\/center>","html_block":"