Доктор технических наук В. НИСКОВСКИХ (г. Екатеринбург).
Ограниченные запасы углеводородного топлива и высокие цены на него заставляют инженеров искать замену двигателям внутреннего сгорания. Российский изобретатель предлагает простую конструкцию двигателя с внешним подводом теплоты, который рассчитан на любой вид топлива, даже на нагрев солнечными лучами. Создатель проекта двигателя Виталий Максимович Нисковских - конструктор, широко известный специалистам-металлургам не только в нашей стране, но и за рубежом. Он автор более 200 изобретений в области оборудования по разливке стали, один из основателей отечественной школы проектирования машин непрерывного литья криволинейных заготовок (МНЛЗ). Сегодня 36 таких машин, изготовленных под руководством В. М. Нисковских на Уралмаше, работают на металлургических комбинатах России, а также в Болгарии, Македонии, Пакистане, Словакии, Финляндии, Японии.
В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним подводом теплоты. Широкого распространения изобретение в то время не получило - слишком сложной была конструкция по сравнению с паровой машиной и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
Однако в наши дни вновь возник острый интерес к двигателям Стирлинга. Постоянно появляется информация о новых разработках и попытках наладить их массовое производство. Например, на голландской фирме "Филипс" построили несколько модификаций двигателя Стирлинга для большегрузных автомобилей. Двигатели внешнего сгорания ставят на судах, на небольших электростанциях и ТЭЦ, а в перспективе собираются оснащать ими космические станции (там их предполагают использовать для привода электрогенераторов, поскольку двигатели способны работать даже на орбите Плутона).
Двигатели Стирлинга имеют высокий кпд, могут работать с любым источником теплоты, бесшумны, в них не расходуется рабочее тело, в качестве которого обычно применяют водород или гелий. Двигатель Стирлинга мог бы успешно использоваться на атомных подводных лодках.
В цилиндры работающего двигателя внутреннего сгорания вместе с воздухом обязательно заносятся частицы пыли, вызывающие износ трущихся поверхностей. В двигателях с внешним подводом теплоты такое исключено, поскольку они абсолютно герметичны. Кроме того, смазка не окисляется и требует замены значительно реже, чем в ДВС.
Двигатель Стирлинга, если его использовать как механизм с внешним приводом, превращается в холодильный агрегат. В 1944 году в Голландии образец такого двигателя раскрутили с помощью электромотора, и температура головки цилиндра вскоре понизилась до -190°С. Подобные устройства успешно используют для сжижения газов.
И все же сложность системы кривошипов и рычагов в поршневых двигателях Стирлинга ограничивает их применение.
Проблему можно решить, заменив поршни роторами. Основная идея изобретения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно - сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра - с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.
Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но "с обратным знаком" происходит в ветви низкого давления.
Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила F =∆p (S б -S м ), где ∆p - разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; S б - рабочая площадь большого ротора; S м - рабочая площадь малого ротора. Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.
См. в номере на ту же тему
Всего около ста лет назад двигателям внутреннего сгорания пришлось в жестокой конкурентной борьбе завоевывать то место, которое они занимают в современном автомобилестроении. Тогда их превосходство отнюдь не представлялось столь очевидным, как в наши дни. Действительно, паровая машина - главный соперник бензинового мотора - обладала по сравнению с ним огромными достоинствами: бесшумностью, простотой регулирования мощности, прекрасными тяговыми характеристиками и поразительной «всеядностью», позволяющей работать на любом виде топлива от дров до бензина. Но в конечном итоге экономичность, легкость и надежность двигателей внутреннего сгорания взяли верх и заставили примириться с их недостатками, как с неизбежностью.
В 1950-х годах с появлением газовых турбин и роторных двигателей начался штурм монопольного положения, занимаемого двигателями внутреннего сгорания в автомобилестроении, штурм, до сих пор не увенчавшийся успехом. Примерно в те же годы делались попытки вывести на сцену новый двигатель, в котором поразительно сочетается экономичность и надежность бензинового мотора с бесшумностью и "всеядностью" паровой установки. Это - знаменитый двигатель внешнего сгорания, который шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).
Физика процесса
Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем требуется на сжатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, а когда воздух в ней охладится, горлышко затыкают пробкой и быстро переносят в горячую воду. Через несколько секунд раздается хлопок и нагреваемый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова возвратить в ледяную воду - цикл повторится.
в цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга почти в точности воспроизводился этот процесс, пока изобретатель не сообразил, что часть тепла, отнимаемого у газа при охлаждении, можно использовать для частичного подогрева. Нужна лишь какая-то емкость, в которой можно было бы запасать тепло, отнятое у газа при охлаждении, и снова отдавать ему при нагревании.
Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые здесь результаты были весьма посредственны: 5-7 процентов к.п.д., 2 л. с. мощности, 4 тонны веса и 21 кубометр занимаемого пространства.
Двигатели внешнего сгорания не были спасены даже успехом другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предложил нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. 8 1887 году несколько тысяч небольших эриксоновских двигателей отлично работало в типографиях, в домах, на шахтах, на судах. Они наполняли водонапорные баки, приводили а действие лифты. Эриксон пытался даже приспособить их для привода экипажей, но они оказались чересчур тяжелыми. В России до революции большое количество таких двигателей выпускалось под названием «Тепло и сила».
Несмотря на свои высокие показатели, современный двигатель внутреннего сгорания начинает устаревать. Его к. п. д. достиг, пожалуй, своего предела. Шум, вибрация, отравляющие воздух газы и другие присущие ему недостатки заставляют ученых искать новые решения, пересматривать возможности давно «забытых» циклов. Одним из «возрожденных» двигателей является стирлинг.
Еще в 1816 г. шотландский священник и ученый Роберт Стирлинг запатентовал двигатель, в котором топливо и воздух, поступающие в зону горения, никогда не попадают внутрь цилиндра. Они, сгорая, лишь нагревают находящийся в нем рабочий газ. Это и дало основание назвать изобретение Стирлинга двигателем внешнего сгорания.
Роберт Стирлинг построил несколько двигателей; последний из них имел мощность 45 л. с. и проработал на шахте в Англии более трех лет (до 1847 г.). Эти двигатели были очень тяжелыми, занимали много места и внешне напоминали паровые машины.
Для мореплавания двигатели внешнего сгорания впервые были применены в 1851 г. шведом Джоном Эриксоном. Построенное им судно «Эриксон» благополучно пересекло Атлантический океан из Америки в Англию с силовой установкой, состоявшей из четырех двигателей внешнего сгорания. В век паровых машин это было сенсацией. Однако силовая установка Эриксона развивала всего 300 л. с., а не 1000, как ожидалось. Двигатели имели огромные размеры (диаметр цилиндра 4,2 м, ход поршня 1,8 м). Расход угля получился не меньше, чем у паровых машин. Когда судно пришло в Англию, оказалось, что двигатели не пригодны для дальнейшей эксплуатации, так как у них прогорели днища цилиндров. Чтобы вернуться в Америку, пришлось заменить двигатели обычной паровой машиной. На обратном пути судно попало в аварию и затонуло со всем экипажем.
Маломощные двигатели внешнего сгорания в конце прошлого века применялись в домах для перекачивания воды, в типографиях, на промышленных предприятиях, в том числе на петербургском заводе Нобеля (ныне «Русский дизель»), Устанавливались они и на мелких судах. Стирлинги выпускались во многих странах, в том числе в России, где они назывались «тепло и сила». Ценили их за бесшумность и безопасность работы, чем они выгодно отличались от паровых машин.
С развитием двигателей внутреннего сгорания о стирлингах забыли. В энциклопедическом словаре Брокгауэа и Эфрона о них написано следующее: «Безопасность от взрывов составляет главную выгодную сторону калорических машин, благодаря которой они могут опять войти в употребление, если найдут для их построения и смазки новые материалы, лучше выдерживающие высокую температуру».
Дело заключалось, однако, не только в отсутствии соответствующих материалов. Еще оставались неизвестными современные принципы термодинамики, в частности эквивалентность тепла и работы, без чего невозможно было определить наивыгоднейшие соотношения основных элементов двигателя. Теплообменники делали с малой поверхностью, из-за чего двигатели работали при непомерно высоких температурах и быстро выходили из строя.
Попытки усовершенствовать Стирлинг были предприняты после второй мировой войны. Наиболее существенные из них заключались в том, что рабочий газ стали применять сжатым до 100 атм и использовать не воздух, а водород, имеющий более высокий коэффициент теплопроводности, низкую вязкость и, кроме того, не окисляющий смазки.
Устройство двигателя внешнего сгорания в его современном виде схематически показано на рис. 1. В закрытом с одной стороны цилиндре находятся два поршня. Верхний - поршень-в ы тесните ль служит для ускорения процесса периодического нагрева и охлаждения рабочего газа. Он представляет собой полый закрытый цилиндр из нержавеющей стали, плохо проводящий тепло, и перемещается под действием штока, связанного с кривошипно-шатунным механизмом.
Нижний поршень - рабочий (на рисунке показан в сечении). Он передает усилие на кривошипно-шатунный механизм через полый шток, внутри которого проходит шток вытеснителя. Рабочий поршень снабжен уплотняющими кольцами.
Под рабочим поршнем имеется буферная емкость, образующая подушку, выполняющую функцию маховика - сглаживать неравномерность крутящего момента благодаря отбору части энергии во время рабочего хода и отдаче ее на вал двигателя во время хода сжатия. Для изоляции объема цилиндра от окружающего пространства служат уплотнения типа «заворачивающийся чулок». Это резиновые трубки, прикрепленные одним концом к штоку, а другим к корпусу.
Верхняя часть цилиндра соприкасается с подогревателем, а нижняя - с холодильником. Соответственно в нем выделяются «горячий» и «холодный» объемы, свободно сообщающиеся между собой посредством трубопровода, в котором находится регенератор (теплообменник). Регенератор заполнен путанкой из проволоки малого диаметра (0,2 мм) и обладает высокой теплоемкостью (например, к. п. д. регенераторов фирмы Филипе превышает 95%).
Рабочий процесс двигателя Стирлинга может быть осуществлен и без вытеснителя, на основе применения золотникового распределителя рабочего заряда.
В нижней части двигателя расположен кривошипно-шатунный механизм, служащий для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала. Особенностью этого механизма является наличие двух коленчатых валов, соединенных двумя шестернями со спиральными зубьями, вращающимися навстречу друг другу. Шток вытеснителя связан с коленчатыми валами посредством нижнего коромысла и прицепных шатунов. Шток рабочего поршня соединяется с коленчатыми валами через верхнее коромысло и прицепные шатуны. Система одинаковых шатунов образует подвижный деформируемый ромб, откуда и название этой передачи - ромбическая. Ромбическая передача обеспечивает необходимый сдвиг фаз при движении поршней. Она полностью уравновешена, в ней не возникают боковые усилия на штоки поршней.
В пространстве, ограниченном, рабочим поршнем, находится рабочий газ - водород или гелий. Полный объем газа в цилиндре не зависит от положения вытеснителя. Изменения объема, связанные со сжатием и расширением рабочего газа, происходят за счет перемещения рабочего поршня.
При работе двигателя верхняя часть цилиндра постоянно нагревается, например, от камеры сгорания, в которую впрыскивается жидкое топливо. Нижняя часть цилиндра постоянно охлаждается, например, холодной водой, прокачиваемой через водяную рубашку, окружающую цилиндр. Замкнутый цикл Стирлинга состоит из четырех тактов, изображенных на рис. 2.
Такт I - охлаждение . Рабочий поршень находится в крайнем нижнем положении, вытеснитель движется вверх. При этом рабочий газ перетекает из «горячего» объема над вытеснителем в «холодный» объем под ним. Проходя по пути через регенератор, рабочий газ отдает ему часть своего тепла, а затем охлаждается в «холодном» объеме.
Такт II - сжатие . Вытеснитель остается в верхнем положении, рабочий поршень движется вверх, сжимая рабочий газ при низкой температуре.
Такт III - нагревание . Рабочий поршень находится в верхнем положении, вытеснитель движется вниз. При этом сжатый холодный рабочий газ устремляется из-под вытеснителя в освобождающееся пространство над ним. По дороге рабочий газ проходит через регенератор, где предварительно подогревается, попадает в «горячую» полость цилиндра и нагревается еще сильнее.
Такт IV - расширение (рабочий ход) . Нагреваясь, рабочий газ расширяется, передвигая при этом вытеснитель и вместе с ним рабочий поршень вниз. Совершается полезная работа.
Стирлинг имеет замкнутый цилиндр. На рис. 3, а показана диаграмма теоретического цикла (диаграмма V - Р). По оси абсцисс отложены объемы цилиндра, по оси ординат - давления в цилиндре. Первый такт является изотермическим I-II, второй происходит при постоянном объеме II-III, третий - изотермический III-IV, четвертый - при постоянном объеме IV-I. Так как давление во время расширения горячего газа (III-IV) больше давления во время сжатия холодного газа (I-II), то работа расширения больше работы сжатия. Полезную работу цикла можно графически изобразить в виде криволинейного четырехугольника I-II-III-IV.
В действительном процессе поршень и вытеснитель движутся непрерывно, так как они связаны с кривошипно-шатунным механизмом, поэтому диаграмма действительного цикла скруглена (рис. 3, б).
Теоретический к. п. д. двигателя стирлинга составляет 70%. Исследования показали, что на практике можно получить к. п. д., равный 50%. Это значительно больше, чем у самых лучших газовых турбин (28%), бензиновых двигателей (30%) и дизелей (40%).
Стирлинг может работать на бензине, керосине, дизельном, газообразном и даже твердом топливе. По сравнению с другими двигателями, он имеет более мягкий и почти бесшумный ход. Объясняется это низкой степенью сжатия (1,3÷1,5), к тому же давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом. Продукты сгорания также выпускаются без Шума, так как сгорание происходит постоянно. В них сравнительно немного токсичных составляющих, потому что горение топлива происходит непрерывно и при постоянном избытке кислорода (α=1,3).
Стирлинг с ромбической передачей полностью уравновешен, в нем не возникает вибраций. Это качество, в частности, было учтено американскими инженерами, установившими одноцилиндровый стирлинг на искусственном спутнике Земли, где даже небольшая вибрация и неуравновешенность могут привести к потере ориентации.
Одним из проблемных вопросов остается охлаждение. В стирлинге с выпускными газами отводится только 9% тепла, получаемого от топлива, поэтому, например, при установке его на автомобиле пришлось бы делать радиатор примерно в 2,5 раза больше, чем при использовании бензинового двигателя той же мощности. Задача решается проще на судовых установках, где эффективное охлаждение обеспечивается неограниченным количеством забортной воды.
На рис. 4 показан разрез двухцилиндрового катерного двигателя Филипс мощностью 115 л. с. при 3000 об/мин с горизонтальным расположением цилиндров. Общий рабочий объем каждого цилиндра 263 см 3 . Поршни, расположенные оппозитно, соединены с двумя траверсами, что позволило полностью уравновесить газовые силы и обойтись без буферных объемов. Подогреватель выполнен из трубок, окружающих камеру сгорания, по которым проходит рабочий газ. Охладителем служит трубчатый холодильник, через который прокачивается забортная вода. Двигатель имеет два коленчатых вала, соединенных с гребным валом посредством червячных передач. Высота двигателя всего 500 мм, что позволяет установить его под настилом и таким образом уменьшить размеры машинного отсека.
Мощность стирлинга регулируется в основном изменением давления рабочего газа. Одновременно, чтобы поддерживать температуру подогревателя постоянной, регулируется и подача топлива. Для двигателя внешнего сгорания пригодны практически любые источники тепла. Важно, что он может превращать в полезную работу низкотемпературную энергию, на что не способны двигатели внутреннего сгорания. Из кривой на рис. 5 видно, что при температуре подогревателя всего 350° С к. п. д. стирлинга еще равен ≈ 20%.
Стирлинг экономичен - удельный расход топлива у него составляет всего 150 г/л. с. час. В энергетической установке «двигатель стирлинг- аккумулятор тепла», использующейся на американских спутниках Земли, тепловым аккумулятором служит гидрит лития, который поглощает тепло в период «освещения» и Отдает его стирлингу, когда спутник находится на теневой стороне Земли. На спутнике двигатель служит для привода генератора мощностью 3 квт при 2400 об/мин.
Создан опытный мотороллер со Стирлингом и аккумулятором тепла. Использование аккумулятора тепла и стирлинга на подводной лодке позволяет ей в несколько раз дольше идти в погруженном положении.
Литература
- 1. Смирнов Г. В. Двигатели внешнего сгорания. «Знание», М., 1967.
- 2. Dr. Ir. R. I. Meijer. Der Philips - Stirlingmotor, MTZ, N 7, 1968.
- 3. Curtis Anthony. Hot air and the wind of change. The Stirling engine and its revival. Motor (Engl.), 1969, (135), N 3488.
Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.
Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.
Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.
Устройство и принцип работы
Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.
В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.
В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.
Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.
В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.
В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.
Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.
В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.
В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.
Разные конструкции
Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.
Конструкция исполнения «Альфа»
Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.
Конструкция исполнения «Бета»
Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.
Конструкция исполнения «Гамма»
Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.
Преимущества
- Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
- Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
- Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
- Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
- Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.
- В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.
Недостатки
- При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
- Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
- Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
- Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.
Двигатель Стирлинга и его использование
При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.
- Универсальные источники электричества. Моторы Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют проекты солнечных электроустановок с применением таких двигателей. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители изготавливают генераторы, действующие от газовой конфорки. Существуют также проекты генераторов, которые работают от радиоизотопных источников тепла.
- Насосы . Если в контуре системы отопления установлен насос, то эффективность отопления значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливают насосы. Электрический насос может выйти из строя, к тому же, он потребляет электрическую энергию. Насос, действующий по принципу Стирлинга, решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкостей будет проще обычной схемы, так как вместо поршня может применяться сама перекачиваемая жидкость, служащая также для охлаждения.
- Холодильное оборудование . В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свои изделия двигатель Стирлинга, которые будут очень экономичны. Рабочим телом будет выступать воздух.
Сверхнизкие температуры . Для сжижения газов такие моторы очень эффективны. Их использование более выгодное, чем турбинные устройства. Также двигатель Стирлинга применяется в устройствах для охлаждения датчиков точных приборов.
- . Электрическую энергию можно получать путем преобразования энергии солнца. Для этого могут применяться двигатели Стирлинга, которые устанавливают в фокус зеркала так, чтобы место нагрева непрерывно освещалось лучами солнца. Отражатель управляется по мере перемещения солнца, энергия которого концентрируется на малой площади. При этом происходит отражение излучения зеркалами около 92%. Рабочим телом двигателя служит чаще всего гелий или водород.
- Аккумуляторы тепла . С помощью устройства Стирлинга можно резервировать тепловую энергию, используя теплоаккумуляторы на основе расплавов солей. Такие устройства имеют запас энергии, превосходящий химические , и имеют меньшую стоимость. Применяя для регулировки мощности увеличение и уменьшение угла фазы между двумя поршнями, можно накапливать механическую энергию, осуществляя торможение двигателя. При этом двигатель служит тепловым насосом.
- Автомобилестроение . Несмотря на сложности, существуют действующие модели мотора Стирлинга, использующиеся для автомобилей. Заинтересованность в таком двигателе, подходящем для автомобиля, возникла еще в прошлом веке. Разработки в этом направлении проводили английские и немецкие автоконцерны. В Швеции также был разработан двигатель Стирлинга, в котором применялись унифицированные серийные агрегаты и узлы. В результате получился 4-цилиндровый мотор, параметры которого сравнимы с характеристиками небольшого дизельного двигателя. Этот двигатель был успешно испытан в качестве силового агрегата для многотонного грузовика.
Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.
Обострение глобальных проблем, требующих срочного решения (истощение природных ресурсов, загрязнение окружающей среды и т. д.), привело в конце XX века к необходимости принятия ряда международных и российских законодательных актов в области экологии, природопользования и энергосбережения. Основные требования этих законов направлены на сокращение выбросов СО2, ресурсо- и энергосбережение, перевод автотранспорта на экологически чистые моторные топлива и т.д.
Одним из перспективных путей решения этих задач является разработка и широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе двигателей (машин) Стирлинга. Принцип работы таких двигателей был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. Это машины, работающие по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.
Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной, поскольку его теоретическая мощность равна максимальной мощности тепловых машин (цикла Карно). Он работает за счет теплового расширения газа, за которым следует сжатие газа при его охлаждении. Двигатель содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между «холодной» частью (обычно имеющей температуру окружающей среды) и «горячей» частью, которая нагревается за счет сжигания различного топлива или за счет других источников теплоты. Нагрев производится снаружи, поэтому двигатель Стирлинга относят к двигателям внешнего сгорания (ДВПТ). Поскольку, по сравнению с ДВС, в двигателях Стирлинга процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура и при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.
Необходимо отметить, что за рубежом уже начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых превосходят ДВС и газотурбинные установки (ГТУ). Так, двигатели Стирлинга фирм «Philips», «STM Inc.», «Daimler Benz», «Solo», «United Stirling» мощностью от 5 до 1200 кВт имеют к.п.д. более 42%, рабочий ресурс более 40 тыс. часов и удельную массу от 1,2 до 3,8 кг/кВт.
В мировых обзорах по энергопреобразующей технике двигатель Стирлинга рассматривается как наиболее перспективный в XXI веке. Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на различных топливах, большой ресурс, хорошие характеристики крутящего момента - все это делает двигатели Стирлинга более конкурентоспособными в сравнении с ДВС.
Где могут применяться двигатели Стирлинга?
Автономные энергетические установки с двигателями Стирлинга (стирлинг-генераторы) могут найти применение в регионах России, где нет запасов традиционных энергоносителей – нефти и газа. В качестве топлива можно использовать торф, древесину, сланцы, биогаз, уголь, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Соответственно, исчезает проблема с энергообеспечением многих регионов.
Такие энергетические установки экологически чисты, так как концентрация вредных веществ в продуктах сгорания почти на два порядка ниже, чем у дизельных электростанций. Поэтому стирлинг-генераторы можно устанавливать в непосредственной близости от потребителя, что позволит избавиться от потерь на передачу электроэнергии. Генератор мощностью 100 кВт может обеспечить электроэнергией и теплом любой населенный пункт с населением более 30-40 человек.
Автономные энергетические установки с двигателями Стирлинга найдут широкое применение и в нефтегазовой промышленности РФ при освоении новых месторождений (особенно в условиях Крайнего Севера и шельфа арктических морей, где нужна серьезная энерговооруженность разведочных, буровых, сварочных и других работ). В качестве топлива здесь можно использовать неочищенный природный газ, попутный нефтяной газ и газовый конденсат.
Сейчас в РФ ежегодно пропадает до 10 млрд. куб. м попутного газа. Собирать его сложно и дорого, использовать в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания нельзя из-за постоянно меняющегося фракционного состава. Чтобы газ не загрязнял атмосферу, он попросту сжигается. В то же время его использование в качестве моторного топлива даст существенный экономический эффект.
Энергоустановки мощностью 3-5 кВт целесообразно использовать в системах автоматизации, связи и катодной защиты на магистральных газопроводах. А более мощные (от 100 до 1000 кВт) - для электро- и теплоснабжения больших вахтовых поселков газовиков и нефтяников. Установки свыше 1 тыс. кВт могут применяться на наземных и морских буровых объектах нефтегазовой промышленности.
Проблемы создания новых двигателей
Двигатель, предложенный самим Робертом Стирлингом, имел значительные массо-габаритные характеристики и низкий к.п.д. Из-за сложности процессов в таком двигателе, связанных с непрерывным движением поршней, первый упрощенный математический аппарат был разработан только в 1871 году пражским профессором Г. Шмидтом. Предложенный им метод расчета основывался на идеальной модели цикла Стирлинга и позволял создавать двигатели с к.п.д. до 15%. Лишь к 1953 году голландской фирмой «Филипс» были созданы первые высокоэффективные двигатели Стирлинга, превосходящие по характеристикам двигатели внутреннего сгорания.
В России попытки создания отечественных двигателей Стирлинга предпринимались неоднократно, однако успеха не имели. Есть несколько основных проблем, сдерживающих их разработку и широкое применение.
Прежде всего это создание адекватной математической модели проектируемой машины Стирлинга и соответствующего метода расчета. Сложность расчета определяется сложностью реализации термодинамического цикла Стирлинга в реальных машинах, обусловленной нестационарностью тепломассового обмена во внутреннем контуре - вследствие непрерывного движения поршней.
Отсутствие адекватных математических моделей и методов расчета - главная причина неудач ряда зарубежных и отечественных предприятий в разработке как двигателей, так и холодильных машин Стирлинга. Без точного математического моделирования доводка проектируемых машин превращается в многолетние изнурительные экспериментальные исследования.
Еще одна проблема заключается в создании конструкций отдельных узлов, сложностях с уплотнениями, регулированием мощности и т.д. Трудности конструктивного исполнения обусловлены применяемыми рабочими телами, в качестве которых используется гелий, азот, водород и воздух. Гелий, например, обладает сверхтекучестью, что диктует повышенные требования к уплотняющим элементам рабочих поршней, и т. д.
Третья проблема - высокий уровень технологии производства, необходимость применения жаростойких сплавов и металлов, новых методов их сварки и пайки.
Отдельный вопрос - изготовление регенератора и насадки для него для обеспечения, с одной стороны, высокой теплоемкости, а с другой - низкого гидравлического сопротивления.
Отечественные разработки машин Стирлинга
В настоящее время в России накоплен достаточный научный потенциал для создания высокоэффективных двигателей Стирлинга. Значительные результаты были достигнуты в ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии». Специалистами были проведены теоретико-экспериментальные исследования для разработки новых методов расчета высокоэффективных двигателей Стирлинга. Основные направления работ связаны с применением двигателей Стирлинга в когенерационных установках и системах использования теплоты отработанных газов, например в мини-ТЭЦ. В результате были созданы методики разработки и опытные образцы двигателей мощностью 3 кВт.
Особое внимание в ходе исследований уделялось проработке отдельных узлов машин Стирлинга и их конструктивного исполнения, а также созданию новых принципиальных схем установок различного функционального назначения. Предлагаемые технические решения с учетом того, что машины Стирлинга менее дороги в эксплуатации, позволяют повысить экономическую эффективность применения новых двигателей по сравнению с традиционными преобразователями энергии.
Производство двигателей Стирлинга является экономически целесообразным с учетом практически неограниченного спроса на экологически чистое и высокоэффективное энергетическое оборудование как в России, так и за рубежом. Однако без участия и поддержки государства и крупного бизнеса проблема их серийного производства не может быть решена в полном объеме.
Как помочь производству двигателей Стирлинга в России?
Очевидно, что инновационная деятельность (особенно освоение базисных инноваций) - сложный и рискованный вид хозяйственной деятельности. Поэтому она должна опираться на механизм государственной поддержки, особенно «на старте», с последующим переходом на обычные рыночные условия.
Механизм создания в России крупномасштабного производства машин Стирлинга и энергопреобразующих систем на их основе мог бы включать:
- прямое долевое бюджетное финансирование инновационных проектов по машинам Стирлинга;
- косвенные меры поддержки за счет освобождения продукции, выпускаемой по стирлинг-проектам, от НДС и других налогов федерального и регионального уровней в течение первых двух лет, а также предоставление налогового кредита по такой продукции на последующие 2-3 года (учитывая, что издержки освоения принципиально новой продукции нецелесообразно включать в ее цену, т.е. в расходы производителя или потребителя);
- исключение из налогооблагаемой базы по налогу на прибыль вклада предприятия в финансирование стирлинг-проектов.
В дальнейшем, на этапе устойчивого продвижения энергетического оборудования на основе машин Стирлинга на внутреннем и внешнем рынках, восполнение капиталов для расширения производства, технического переоснащения и поддержки очередных проектов по производству новых типов оборудования может осуществляться за счет прибыли и продажи акций успешно освоенного производства, кредитных ресурсов коммерческих банков, а также привлечения иностранных инвестиций.
Можно предположить, что благодаря наличию технологической базы и накопленного научного потенциала в проектировании машин Стирлинга, при разумной финансовой и технической политике Россия может уже в ближайшем будущем стать мировым лидером в области производства новых экологически чистых и высокоэффективных двигателей.
Загрузка...
