WikiDer > Термомеханический генератор

Thermomechanical generator
Диаграмма свободного тела; моделирование взаимодействия поршня с корпусом

В Harwell TMG двигатель Стирлинга, аббревиатура от "Термомеханический генератор", была изобретена в 1967 г. Э. Х. Кук-Ярборо в лабораториях Харвелла Управление по атомной энергии Соединенного Королевства.[1][2][3][4] Он задумывался как удаленный электричество источник с низкой стоимостью и очень долгим сроком службы, хотя и с некоторой потерей эффективности. TMG (модель TMG120) когда-то был единственным двигателем Стирлинга, проданным производителем, а именно HoMach Systems Ltd., Англия.[5]

Описание

Двигатель имеет около изотермический цилиндры потому что 1) область нагревателя покрывает весь конец цилиндра, 2) это устройство с коротким ходом, с широкими и мелкими цилиндрами, что дает высокий площадь поверхности к объем соотношение; 3) средняя толщина газового пространства около 0,1 см; 4) рабочая жидкость Гелий, газ, обладающий хорошими тепловыми свойствами для двигателей Стирлинга.

Вытеснитель двигателя также имеет очень низкие потери. Эти рабочие характеристики с низкими потерями упрощают анализ двигателя по сравнению с более традиционными двигателями Стирлинга.[5]:113

Конструкция имеет много преимуществ перед обычными двигателями Стирлинга. Простота нагревателя значительно снижает стоимость, позволяя TMG избежать необходимости припаянный трубчатый или оребренный нагреватель, который может составлять 40% стоимости обычного двигателя Стирлинга.[6] Теплообменники для нагревателя и охладителя механически просты. Регенератор представляет собой простое кольцевое пространство, называемое «плоской пластиной». Наряду со стенкой цилиндра и вытеснителем имеется всего четыре регенерирующих поверхности. TMG - двигатель со свободным поршнем. Нет прокатки подшипники или скольжение уплотнения, поэтому трение или износ очень малы. Рабочее пространство герметично закрыто, что позволяет в течение многих тысяч часов содержать гелий под давлением.

В вытеснитель это нержавеющая сталь банка диаметром 27 см. Он подвешен на рубанке с низкими потерями. весна по центру цилиндра диаметром 27,4 см. Радиальный зазор 2 мм делится на два концентрический кольцевой зазоры тонким цилиндром с открытым концом, который крепится к цилиндру двигателя. Это кольцо действует как регенератор, что намного дешевле, чем проволочная сетка тип.

Двигатель представляет собой конструкцию со «свободным цилиндром», в которой весь двигатель установлен на пружинах и имеет возможность слегка вибрировать. Это позволяет перемещать буйковый уровнемер за счет положительной обратной связи от движения силового поршня и магнитов в линейный генератор магниты, общий вес которых составляет 10 кг.

Параметр двигателяHoMach TMG 120 Spec
Указанная мощность170 Вт
Мощность вала150 Вт
Тепловая нагрузка1500 Вт
Тепловой к механической эффективности10%
Частота двигателя110 Гц
давление заряда0,2 МПа
Диаметр буйка26,0 см
ход буйка0,2 см
Рабочий объем буйка110 см³
Внешний диаметр диафрагмы силового поршня35,2 см
Ход диафрагмы силового поршня0,152 см
Рабочий объем силовой поршневой диафрагмы110 см³
Угол фазы~ 90 градусов
Подвижная масса (силовой поршень и магниты генератора)10 кг
Полная масса двигателя~ 80 кг
Срок службыболее 90000 часов
Пополнение запасов гелия (7 литров при неизвестном давлении)каждые 22500 часов в среднем

[5]:109

Уникальный силовой поршень был изобретен Кук-Ярборо и называется «шарнирно-сочлененная диафрагма». Он состоит из кольца из нержавеющей стали с внешним диаметром 35 см и внутренним диаметром 26 см. Это кольцо прикреплено к двигателю на внешнем крае двумя гибкими резиновыми уплотнительными кольцами, а на внутреннем крае оно аналогично зажимается, в данном случае на жесткой центральной ступице, которая составляет центр поршня. Уплотнительные кольца изгибаются, но не скользят, поэтому смазка не требуется, а износ всей машины незначителен.

Пространство сжатия расположено между ступицей силового поршня и вытеснителем, и это пространство охлаждается за счет прямой теплопроводности через силовой поршень. Опытная модель TMG содержала диафрагму с двойным шарниром, содержащую охлаждающую воду, которая закачивалась с помощью термосифон. Глубина компрессионного пространства варьируется от 0,2 до 2,7 мм в зависимости от хода буйка 2 мм и хода силового поршня 1,5 мм, сдвинутого по фазе на 90 градусов.

Двигатель TMG успешно преодолевает многие экономические и механические трудности, характерные для обычных двигателей Стирлинга. Однако у этой конструкции есть некоторые ограничения. Простой и недорогой кольцевой регенератор неэффективен по сравнению с другими типами (и это способствует несколько низкому тепловому КПД этого двигателя, составляющему всего 10%). Механические ограничения шарнирно-сочлененной диафрагмы допускают максимальный ход примерно 3 мм. Эти свойства ограничивают максимальную доступную мощность примерно 500 - 1000 Вт от двигателя этой конструкции.[5]:195 Тем не менее, дешевый двигатель Стирлинга редко может получить такой высокий уровень надежности и срока службы, что можно объяснить только изобретательностью конструкции.

Рекомендации

  1. ^ ГБ 1252258, «Стирлинг-мотор» 
  2. ^ ГБ 1397548, «Тепловые двигатели цикла Стирлинга» 
  3. ^ ГБ 1539034, «Устройства упругие сцепные» 
  4. ^ ГБ 2136087, "Кольцевая пружина" 
  5. ^ а б c d Колин Д. Уэст (1986). Принципы и применение двигателей Стирлинга. ISBN 0-442-29237-6. п. 195, 113, 109, 195
  6. ^ Клиффорд, М. Харгривз (1991). Двигатель Стирлинга Philips. ISBN 0-444-88463-7.