Предлагается альтернативный способ обеспечения электроэнергией небольшого односемейного дома с помощью рассматриваемой здесь тепловой машины, которая работает исключительно на горячей воде, запасенной в тепловом накопителе достаточного объема. Вода в этом накопителе нагревается от солнечного теплового коллектора или от специальной печи, которая при неблагоприятной погоде протапливается древесными отходами или топочными гранулами (pellets). Запасенное тепло одновременно используется для горячего водоснабжения в доме и отопления помещений в осенне-зимний период.

Конструкция

Изображенный на рисунке двигатель состоит из двух цилиндров большого объема, закрытых крышками на сильфонных вставках. Крышки шарнирно связаны с коленвалом в противофазе так, что он приходит в движение, если газ в одном цилиндре расширяется, а в другом одновременно сжимается. Воздух внутри замкнутого объема цилиндров является рабочим телом, нагревание и охлаждение которого осуществляется попеременным впрыскиванием через специальные форсунки горячей и холодной воды. Вода на форсунки подается от двух пар плунжеров, которые приводятся в действие от кулачков, закрепленных на том же коленвалу. На следующем рисунке показана диаграмма работы двигателя. В зоне верхней и нижней мертвой точки открывается вентиль, соединяющий цилиндры между собой. При этом более сжатый газ из горячего цилиндра перетекает в холодный, давление в цилиндрах выравнивается, что позволяет экономить часть энергии, которая потребовалась бы для выравнивания температур газа в цилиндрах. Форсунки установлены таким образом, чтобы отработанная вода собиралась раздельно в правой и левой половинах цилиндра. Обратные клапаны позволяют выводить эту воду в фазе повышенного давления в цилиндре. Отработка по холодной воде направляется в холодильник, где охлаждается до 25 градусов, отработка по горячей воде возвращается в накопитель.

Силовые возможности

Попробуем оценить способность такого двигателя совершать механическую работу на конкретном примере. Пусть объем цилиндров будет по 200 литров, площадь поршня 0.25 кв. метра, ход поршня 0.1 метра, а разность температур рабочего тела, которая поддерживается в течение рабочего хода 30 град. С (плюс – минус 15 градусов). Эта разность температур по Кельвину приводит к разности давлений в 0.1 бар, и за полный оборот коленвала генератору будет передано 500 джоулей энергии. При выбранном темпе работы в 2 оборота в секунду такая машина может развивать мощность в 1 кВт, что составит за сутки больше 20 кВт-час энергии. Этой электроэнергии достаточно для нужд односемейного частного дома. При уменьшении размеров цилиндров, можно увеличивать количество оборотов коленвала, что частично компенсирует уменьшение номинальной мощности.

Физика процесса

В паровой машине, рабочим телом является пар, приготовляемый в отдельном нагревателе – котле, в двигателе внутреннего сгорания сам цилиндр является топкой, двигатель Стирлинга работает с рабочим телом, находящимся в замкнутом объеме, получающим и отдающим тепло через теплопроводящую перегородку. В рассматриваемом здесь двигателе рабочее тело – воздух, заключенный в замкнутом объеме. Для передачи и соответственно отъема тепла от газообразного рабочего тела служит некий промежуточный теплоноситель, находящийся в жидкой фазе, например, вода. Жидкость удобно распылять и просто удалять из цилиндров после теплового контакта с рабочим телом.
Взаимодействие струи горячей воды с воздушной массой в замкнутом объеме нужно рассматривать как процесс в неравновесной двухфазной системе – вода и воздух с водяным паром. При движении поршня вверх испарение отнимает много тепла, зато парциальное давление водяного пара с ростом температуры быстро увеличивается (20=0.023 40= 0.074 60=0.199 80=0.447 90=0.702 100=1.014, где первая цифра – температура, а вторая – давление в барах). То есть, водяной пар работает, как в паровой машине, наряду с работой расширяющегося воздуха. Относительная влажность при расширении остается ниже 100%, варьируясь в зависимости от степени распыления водяной струи и от скорости движения поршня. В холодном цилиндре воздух работает при температурах ниже точки росы и теплота от конденсации пара отдается через охлаждающую воду холодильнику. В зоне мертвой точки (верхней или нижней) объемы цилиндров соединяются с помощью вентиля, сухой и горячий газ смешивается с холодным. При этом давления и температуры выравниваются, а часть тепла переходит
в цилиндр с меньшей энергией. На приведенной диаграмме иллюстрируется работа машины в диапазоне плюс – минус 15 градусов. Рассчитанные для этого числового примера величины проставлены на графике. Довольно высокий КПД, приближающийся к пределу Карно, достигается за счет возврата горячей отработки обратно в накопитель, а также благодаря рекуперации тепла в верхней и нижней рабочей точке. Тепло, отводимое в холодильник, в холодное время года может использоваться для целей отопления здания.
Как альтернатива, в качестве жидкостного теплоносителя можно использовать, например, глицерин. Его высокая температура кипения (290 град. С) позволила бы существенно расширить температурный диапазон тепловой машины, поднять ее КПД и найти для нее новые области применения.

Достоинства и недостатки

Настоящая тепловая машина позволяет преобразовывать в механическую работу энергию источников тепла низких параметров, в этой нише для нее нет альтернативы. Достоинством ее является также экологичность, простота устройства, ненапряженные условия работы узлов конструкции и низкий уровень шумов при ее работе. К недостаткам следует отнести невысокий КПД, что частично компенсируется условиями ее предполагаемой эксплуатации, когда неиспользованная в цикле тепловая энергия возвращается в накопитель и употребляется для отопления помещений. Недостатком также является отсутствие практических наработок в конструировании аналогичных машин и сомнения в перспективности этого направления. В 2002 г. мною в Казахстане был построен насос для подъема воды из скважины (без ступени преобразования в электроэнергию), работающий по этому же принципу (одноцилиндровый и без рекуперации). В солнечную погоду достаточно было повернуть маховик, чтобы машина начинала выкачивать воду из скважины.


картинка http://rulev-igor.narod.ru/theme_9/ust88.jpg
график http://rulev-igor.narod.ru/theme_9/gr88.jpg

КПД, я так думаю, будет как у паровоза

О каком КПД речь. Горячая вода возвращается в накопитель, холодная отдает "ненужное" тепло опять же для нужд отопления, ничего не теряется. Просто часть тепла изх накопителя преобразуется в более дорогую электрическую энергию.