スターリング地区プロセスウィキペディア

スターリング地区プロセス 2つの等温線と等変化で構成され、通常、PVおよびTS図で示されます。スターリング地区のプロセスは、たとえば、2つのピストンと再生器を備えたマシンによって実現できます。隣接するスキームは、考えられる配置を示しています。 （1.2,3,3,4）でマークされたピストン位置は、PVおよびTS図の図です。

スターリングエンジンは、この円形プロセスをほぼ近似しています。

スターリング地区のプロセスは、定期的に繰り返される2つの等温線と等気体で構成されています。スターリングエンジンを理解するためのテンプレートとして機能しますが、理想化された考慮事項でのみ達成されます。実際、古典的なスターリングエンジンは、PV図に示されている理想化されたプロセスに到達することさえありません。等温線は、部分ボリューム、つまり加熱 /冷却容積の音量にのみ影響するため、技術的に実装できません。ただし、拡張 /圧縮ボリューム全体が大きく、総ガス量に影響します。これは、他のシリンダーにも部分的に含まれています。ガスの全量にわたる最大混合温度は低く、最小混合温度は高くなります。

理論プロセスは、隣接するP-V図に示されています。赤い線は、高温のボリュームの状態の変化に対応しています。円形のプロセスでは、作業媒体が定期的に拡張され、圧縮されます。機械によって行われた作業は、P-V図の上部と下部等温線の差、つまり線で囲まれた領域に対応しています。

作業ガスの低いモル質量は、エンジンの効率と性能を向上させます。作業圧力が大きいほど、エンジンをよりコンパクトに構築できます。水素とヘリウムの熱伝導率は最も高く、これは熱交換器をコンパクトに設計できることを意味します。水素には、すべてのガスの粘度が最小の利点もあり、それがわずかなガス摩擦損失を引き起こします。水素はヘリウムの約2.7倍の熱容量を持ち、空気と比較して4.7倍の熱容量さえあります。

次の略語を使用して、状態の変更を使用します。

• 
  ${displaystyle q、w}$

  =熱量、Jでの作業

• 
  ${displaystyle n}$

  =モルの作業ガスの量

• 
  ${displaystyle m}$

  = gの作業ガスの質量

• 
  ${displaystyle m = {frac {m} {n}}}}$

  = g/molの作業ガスのmol質量

• 
  ${displaystyle c_ {v}}$

  = v = konsでのモル熱容量。 j mol ^-1 k ^-1

• 
  ${displaystyle r}$

  = Jモルで一貫したユニバーセルガス ^-1 k ^-1

• 
  ${displaystyle t_ {o}、t_ {u}}$

  = kの上部、低いプロセス温度

• 
  ${displaystyle v_ {2}、v_ {3}、v_ {text {ut}}}}$

  =m³の下位ポイントのボリューム

• 
  ${displaystyle v_ {1}、v_ {4}、v_ {text {ot}}}}$

  =m³の上部デッドポイントのボリューム

さらに、個々のプロセスステップは次のとおりです 私 それまで IV 説明した。

等温拡張 [ 編集 | ソーステキストを編集します ]

プロセスステップ 私 – リニー1→2：等温膨張フォンボリューメン の _初め の上 の ₂ 一定の温度で行われます t _h 、 暖かさ Q _12番目 録音されて仕事 の _12番目 提出されます。ガスの体積は増加し、圧力は低下しますが、温度は加熱によって一定に保たれます。ガスは、作業ピストンを移動することで機能します。

${displaystyle q_ {12} = q_ {text {zu}} = -w_ {12} = ncdot rcdot t_ {text {h}} cdot ln {frac {v_ {2}} {v_ {1}}}}} = {frac {m} {m} {m} {m} {m} {m} {m} {m} {m} {m} {m}}}}}} } cdot ln {frac {v_ {2}} {v_ {1}}}}}$

イソコア冷却 [ 編集 | ソーステキストを編集します ]

プロセスステップ ii – 行2→3：イソコア冷却は一定のボリュームで行われます（ の ₂ = の ₃ ）熱があります Q ₂₃ ガスから再生者に引き渡されます。ボリュームが同じままである場合、ガスの温度と圧力が変化し、再生器が熱を蓄えます。ピストンのシフトは、同じ圧力が両方に影響するため、作業を必要としません。

${displaystyle q_ {23} = delta e_ {text {reg}} = ncdot c_ {text {v}} cdot（t_ {text {h}} – t_ {text {k}}}}}$

• d と _reg =再生器の熱エネルギーの変化

等温コプレッション [ 編集 | ソーステキストを編集します ]

プロセスステップ iii – リニー3→4：等温kの圧迫vonボリューメン の ₃ の上 の ₄ 一定の温度で行われます t _k 、 暖かさ Q ₃₄ 手渡しと仕事 の ₃₄ 供給されます。ガス量は小さくなりますが、圧力は上昇しますが、冷却によって温度は一定に保たれます。ピストンのシフトには作業が必要です。

${displaystyle -q_ {34} = -q_ {text {ab}} = w_ {34} = ncdot rcdot t_ {text {k}} cdot ln {frac {v_ {3}} {v_ {4}}}}}}}}}}}}}$

イソコア温暖化 [ 編集 | ソーステキストを編集します ]

プロセスステップ IV – 行4→1：等等型の温暖化は一定の体積で起こります（ の _初め = の ₄ ）、熱 Q ₄₁ ガスによって記録され、再生者によって引き渡されます。同じ量で、ガスの変化と再生器の温度と圧力がステップを与えます ii から蓄積された熱。ピストンのシフトは、同じ圧力が両方に影響するため、作業を必要としません。

${displaystyle q_ {41} = -delta e_ {text {reg}} = ncdot c_ {text {v}} cdot（t_ {text {k}} – t_ {text {h}}}}}$

プロセスの説明全体が、不特定のスターリングエンジンに適用されます。作業フラスコの背後にある圧力は、常にシリンダーよりも少ないです。

ユーザー作業 [ 編集 | ソーステキストを編集します ]

マシンによって行われた作業は、グラフで囲まれた領域の上に示されているPV図に対応しています。この場合、作業は、供給および実行された熱の違いとしてT-S図に示されており、hatch化した領域で結果をもたらします。ユーザー作業 の _用途 正しいスケッチに従ってエネルギーバランスから決定できます。

${displaystyle q_ {text {to}} = q_ {text {ab}}+w_ {text {utz}}}}$

${displaystyle w_ {text {utz}} = q_ {to} – | q_ {ab} |}$

上記の関係があります Q _に と Q _ab なります

${displaystyle w_ {text {nutz}} = ncdot rcdot t_ {o} cdot ln left（{frac {v_ {2}} {v_ {1}}}右）-ncdot rcdot t_ {u} }$

。

ボリューム関係に設定します

${displaystyle {frac {v_ {2}} {v_ {1}}} = {frac {v_ {3}} {v_ {4}}} = {frac {v_ {ut}} {v_ {ot}}}}}}}$

、

あなたはのために取得します ユーザー作業 ：

${displaystyle w_ {text {nutz}} = ncdot rcdot（t_ {o} -t_ {u}）cdot ln左（{frac {v_ {ut}} {v_ {ot}}}右）}}$

効率 [ 編集 | ソーステキストを編集します ]

スターリングエンジンの理論効率は、カルノの効率に対応しています。

${displaystyle eta = 1- {frac {t_ {u}} {t_ {o}}}}}$

実際に実現された循環プロセスは、理論的な最大値を達成しません。さらに、エンジンは、高温防御材料が非常に高価であるため、800ケルビン（527°C）を超える高度なプロセス温度に設計されていません。寒い部屋の作業ガスは、400ケルビン（127°C）を下回ることはほとんどありません。空気のない火災の攪拌エンジンは、熱の量の大部分を燃料から作業ガスに移すことができないため、さらに低い効率を持っています。ただし、排気ガス熱交換器を使用すると、この熱を使用して燃焼空気を予熱して損失を減らすことができます。たとえば、濃縮されていない太陽放射の加熱されている低温機では、カルノの効率はそれに応じて小さいです（tで _o = 53°Cおよびt _の = 20°Cは10％です）。ただし、カルノの状態と比較した損失は低く保つことができます。

スターリングエンジンは、内燃機関よりも静かであるため、熱と発電所（CHP）を組み合わせた小さな電子エレーターの駆動用に市販されています。ただし、CHPのスターリングエンジンは、燃焼エンジンよりもはるかに低い効率を持っています。電気（el。）と熱生産（Th。）の比率は、約1：6または17％しかありません。 ^[初め] 一方、燃焼エンジンはCHPで1：2.5または40％に達します。そのため、スターリングエンジンを備えたCHPは、「悪い」効率が主に宇宙熱を生成することである場合、またはエネルギー源が非常に安い場合にのみ適しています。

まとめ [ 編集 | ソーステキストを編集します ]

なぜスターリングエンジンが機能するのですか？ サーマルトラップが必要です。 膨張段階では、ガスの冷却を防止する必要があり、圧縮段階ではガスの加熱を抑制する必要があります。効率は熱効率に対応します。

${displaystyle eta = {t_ {text {h}} – t_ {text {k}} over t_ {text {h}}}}}$

• t _h =高温温度
• t _k =寒い温度

プロセスステップで 私 、高温での等温膨張 t _h 、ガスは閉じたシリンダーの熱を吸収し、それを完全に仕事に変換します。圧力 p ガスはエリアを作成します a ワークロードの力 f （= p * a ）。このピストンは現在、Δを動き回っています s 上向きに、提出された作業は次のとおりです。

${displaystyle | w | = fcdot delta s = pcdot acdot delta s = pcdot delta v}$

理想的なスターリングプロセスのPV図では、1行目→2の下の領域、温度の等温線として行われた作業を明確に見ることができます。 t _h 、 また。

プロセスステップ中 iii 、低温での等温圧縮 t _k 、より少ない作業を育てなければなりません、行3→4の下の領域、温度の等温線 t _k 、小さいです。エンジンがひっくり返ると、循環によって囲まれた領域は 1234 特に仕事 の _ab それは全体として提出されます。

${displaystyle w_ {text {ab}} = w_ {12} -w_ {34}}$

1234年に示されている面積が大きいほど、エンジンが回転したときに作業が可能になります。の比率が大きい の _12番目 に の ₃₄ 効率が向上します。

理想的なスターリングプロセスは、他のすべての理想的なサークルプロセスと同様に、正確に実現することはできません。次のPVダイアグラムには、エリアが表示されます（ 黄色 ） 本当のパフォーマンス 理想的なプロセス図は、上記と比較して残ります。

この理由の次のリストは、スターリングエンジンの問題の紹介でもあります。

効率の低下の理由 [ 編集 | ソーステキストを編集します ]

実際のプロセスが理想から逸脱するいくつかの理由：

• 機械的摩擦
• 一 不連続ピストンコントロール 実行可能です

効率を改善するため（プロセスは角でより拡張されます）、デッドルームを可能な限り小さく保つために、不連続なピストン制御が理にかなっています。不利な点は、機械的なストレスと騒音のために摩耗が大きいことです。

• 終えた ガス速度が高い 等温の変化はあまり実現されていません
• 再生器の効率 制限されています
• デッドスペース効果

理想的には、作業媒体全体（ガス）は拡張室と圧縮室にあります。 1999年まで実装されたエンジンの場合、デッドスペースは総量の約30〜50％です。ほとんどの場合、ヒーター、再生器、クーラーなどの熱交換は、これらのデッドスペース（シャッドとも呼ばれます）にあります。その結果、変化するボリューム関係は圧力条件も変化し、全体的な効率に非常に不利な影響を与えます。

• 材料による熱損失

この熱の損失は、温度勾配の方向にシリンダーに沿った熱流から生じます。

• 作業ガスと圧力の損失による散逸

この損失は、200 rpmを超える名目速度でスターリングマシンで増加します。圧縮と膨張は非常に速く動作するため、等温エネルギーに必要な熱流はもはや維持できません。その結果、圧縮の圧力上昇または膨張の急激な圧力低下が発生します。

1. ↑ senertec.de （ 記念 2011年8月11日から インターネットアーカイブ ））