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
1. Введение……………………………………………………………………………… 3
2. История ……………………………………………………………………………… 4
3. Описание …………………………………………………………………………… 4
4. Конфигурация ……………………………………………………………………. 6
5. Недостатки ………………………………………………………………………….. 7
6. Преимущества …………………………………………………………………… 7
7. Применение ………………………………………………………………………. 8
8. Заключение ………………………………………………………………………. 11
9. Список литературы ………………………………………………………….. 12
Введение
В начале XXI века человечество смотрит в будущее с оптимизмом. На это есть самые веские доводы. Ученая мысль не стоит на месте. Сегодня нам предлагаются все новые и новые разработки. Идет внедрение в нашу жизнь все более экономичных, экологически безопасных и перспективных технологий
Это касается, прежде всего, альтернативного двигателестроения и использования так называемых "новых" альтернативных видов топлива: ветра, солнца, воды и других источников энергии
Благодаря двигателям всевозможных типов человек получает энергию, свет, тепло и информацию. Двигатели являются сердцем, которое бьется в такт с развитием современной цивилизации. Они обеспечивают рост производства, сокращают расстояния. Распространенные в настоящее время двигатели внутреннего сгорания имеют целый ряд недостатков: их работа сопровождается шумом, вибрациями, они выделяют вредные отработавшие газы, загрязняю тем самым нашу природу, и потребляют много топлива. Но на сегодняшний день альтернатива им уже существует. Класс двигателей, вред от которых минимален, - двигатели Стирлинга. Они работают по замкнутому циклу, без непрерывных микро взрывов в рабочих цилиндрах, практически без выделения вредных газов, да и топлива им требуется гораздо меньше
Изобретенные задолго до двигателя внутреннего сгорания и дизеля, двигатель Стирлинга был незаслуженно забыт
Возрождение интереса к двигателям Стирлинга обычно ассоциируется с деятельностью фирмы Philips. Работы по конструированию двигателей Стирлинга небольшой мощности начались в фирме в середине 30-х годов ХХ века. Целью работ было создание небольшого электрического генератора с низким уровнем шума и тепловым приводом для питания радиоаппаратуры в районах мира с отсутствием регулярных источников электроснабжения. В 1958 году компания General Motors заключила лицензионное соглашение с фирмой Philips, и их сотрудничество продолжалось до 1970 года. Разработки были связаны с использованием двигателей Стирлинга для космических и подводных энергетических установок, автомобилей и судов, а также для систем стационарного энергоснабжения. Шведская фирма United Stirling, сконцентрировавшая свои усилия в основном на двигателях для транспортных средств большой грузоподъемности, распространили свои интересы на область двигателей для легковых машин. Настоящий же интерес к двигателю Стирлинга возродился только во времена так называемого “энергетического кризиса”. Именно тогда особенно привлекательными показались потенциальные возможности этого двигателя в отношении экономического потребления обычного жидкого топлива, что представлялось весьма важным в связи с ростом цен на топливо
История
Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется « регенератор » (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма « Филипс » инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.
Описание
Дви́гатель Сти́рлинга - тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.
В XIX веке инженеры хотели создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара и неподходящих материалов для их постройки. Хорошая альтернатива паровым машинам появилась с созданием двигателей Стирлинга, который мог преобразовывать в работу любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. В ряде экспериментальных образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и вода. В последнем случае вода остаётся в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла. Особенностью стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления. Существует также стирлинг с двухфазным рабочим телом. Он тоже характеризуется высокой удельной мощностью, высоким рабочим давлением.
Из термодинамики известно, что давление, температура и объём газа взаимосвязаны и следуют закону идеальных газов
, где:- P - давление газа;
- V - объём газа;
- n - количество молей газа;
- R - универсальная газовая константа;
- Т - температура газа в кельвинах.
Это означает, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении - уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга.
Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.
Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга. Рабочий цикл двигателя Стирлинга beta-типа:
1
|
2
|
3
|
4
|
где: a - вытеснительный поршень; b - рабочий поршень; с - маховик; d - огонь (область нагревания); e - охлаждающие ребра (область охлаждения).
- Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).
- Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
- Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз.
- Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.
В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её.
Бета-Стирлинг - цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, частью теплообменника, или совмещённым с поршнем-вытеснителем.
Гамма-Стирлинг - тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра - один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.
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.
Из прошлого - в будущее! В 1817 году шотландский священник Роберт Стирлинг получил… патент на новый тип двигателя, названный впоследствии, подобно моторам Дизеля, именем изобретателя - стирлинг. Прихожане маленького шотландского местечка уже давно и с явным подозрением косились на своего духовного пастыря. Еще бы! Шипение и грохот, проникавшие через стены сарая, где частенько пропадал отец Стирлинг, могли смутить не только их богобоязненные умы. Ходили упорные слухи, что в сарае содержится страшный дракон, которого святой отец приручил и вскармливает летучими мышами и керосином.
Но Роберта Стирлинга, одного из просвещеннейших людей Шотландии, не смущала неприязнь паствы. Мирские дела и заботы все больше и больше занимали его, в ущерб служению господу: увлекали пастора… машины.
Британские острова в тот период переживают промышленную революцию: стремительно развиваются мануфактуры. И служители культа не остаются равнодушными к громадным доходам, которые сулит новый способ производства.
С благословения церкви и не без помощи фабрикантов несколько машин Стирлинга были построены, и лучшая из них, в 45 л. с., три года проработала на шахте в Дунди.
Дальнейшее развитие Стирлингов задержалось: в 60-х годах прошлого столетия на арену вышел новый двигатель Эриксона.
В обеих конструкциях было много общего. Это были двигатели внешнего сгорания. И в той и в другой машине рабочим телом был воздух, и в той и в другой основой двигателя являлся регенератор, проходя через который отработанный горячий воздух отдавал все тепло. Свежая же порция воздуха, просачиваясь через плотную металлическую сетку, отбирала это тепло, перед тем как попасть в рабочий цилиндр.
По схеме на рисунке 1 можно проследить, как воздух через всасывающую трубу 10 и клапан 4 попадает в компрессор 3, сжимается и через клапан 5 выходит в промежуточный резервуар. В это время золотник 8 перекрывает выхлопную трубу 9, и воздух через регенератор попадает в рабочий цилиндр 1, нагреваемый топкой 11. Здесь воздух расширяется, совершая полезную работу, которая частично направлена на поднимаемый тяжелый поршень, частично - на сжатие холодного воздуха в компрессоре 3. Опускаясь, поршень выталкивает отработанный воздух через регенератор 7 и золотник 8 в выхлопную трубу. При опускании поршня в компрессор засасывается свежая порция воздуха.
1 - рабочий цилиндр, 2 - поршень; 3 - компрессор; 4 - всасывающий клапан; 5 - нагнетательный клапан; 6 - промежуточный резервуар; 7 - регенератор; 8 - перепускной золотник; 9 - выхлопная труба; 10 - всасывающая труба; 11 -топка.
И та и другая конструкции не отличались экономичностью. Зато неполадок с двигателем шотландца случалось почему-то больше, и он был менее надежным, чем двигатель Эриксона. Быть может, именно поэтому просмотрели одну очень важную деталь: при равных мощностях двигатель Стирлинга был компактнее. Кроме того, он имел существенное преимущество в термодинамике…
Сжатие, нагрев, расширение, охлаждение - вот четыре основных процесса, необходимых для работы любого теплового двигателя. Каждый из них можно проводить разными путями. Скажем, нагрев и охлаждение газа можно вести в замкнутой полости постоянного объема (изохорный процесс) или под движущимся поршнем при постоянном давлении (изобарный процесс). Сжатие или расширение газа может происходить при постоянной температуре (изотермический процесс) или без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс). Составляя замкнутые цепочки из различных комбинаций таких процессов, нетрудно получить теоретические циклы, по которым работают все современные тепловые двигатели. Скажем, комбинация из двух адиабат и двух изохор образуют теоретический цикл бензинового мотора. Если заменить в нем изохору, по которой идет нагревание газа, изобарой - получится цикл дизеля. Две адиабаты и две изобары дадут теоретический цикл газовой турбины. Среди всех мыслимых циклов комбинация из двух адиабат и двух изотерм играет особо важную роль в термодинамике, так как по такому циклу - циклу Карно - должен работать двигатель с самым высоким к.п.д.
Если в двигателе Стирлинга подвод тепла производился по изохорам, то у Эриксона этот процесс происходил по изобаре, а процессы сжатия и расширения протекали по изотермам.
В начале нашего века движки Эриксона небольшой мощности (порядка 10-20 л. с.) нашли применение в различных странах. Тысячи таких установок трудились на фабриках, в типографиях, шахтах и рудниках, крутили валы станков, качали воду, поднимали лифты. Под названием «тепло и сила» они были известны и в России.
Предпринимались попытки сделать большой судовой двигатель, но результаты испытаний обескураживали не только скептиков, но и самого Эриксона. Вопреки пророчествам первых судно «сдвинулось с места» и даже пересекло Атлантический океан. Но и ожидания изобретателя были обмануты: четыре гигантских по размерам двигателя вместо 1000 л. с. развили всего 300 л. с. Расход угля получился такой же, как и у паровых машин. К тому же днища рабочих цилиндров к концу рейса прогорели насквозь, и в Англии двигатели пришлось снять и тайком заменить обычной паровой машиной. В довершение всех несчастий на обратном пути в Америку судно потерпело аварию и погибло со всем экипажем.
1 - рабочий поршень 2 - поршень-вытеснитель; 3 - охладитель; 4 - нагреватель; 5 - регенератор; 6 - холодное пространство; 7 - горячее пространство.
Отказавшись от мысли строить «калорические машины» большой мощности, Эриксон наладил массовый выпуск небольших двигателей. Дело в том, что уровень науки и техники того времени не позволял спроектировать и построить экономичную и мощную машину.
Но главный удар Эриксону нанесли изобретатели двигателя внутреннего сгорания. Бурное развитие дизелей и карбюраторных двигателей заставило предать забвению хорошую идею.
…Прошло столетие. В 30-х годах одно из военных ведомств поручает фирме «Филипс» разработать энергоустановку мощностью 200-400 вт для походной радиостанции. Причем двигатель должен быть всеядным, то есть работать на любом виде топлива.
Специалисты фирмы со всей основательностью принялись за дело. Начали с исследований различных термодинамических циклов и, к своему удивлению, обнаружили, что теоретически самый экономичный - давно забытый двигатель Стирлинга.
Война приостановила исследования, но в конце 40-х годов работы были продолжены. И тогда в результате многочисленных экспериментов и расчетов было сделано новое открытие - замкнутый контур, в котором под давлением около 200 атм. циркулировало рабочее тело (водород или гелий, как обладающие наименьшей вязкостью и наибольшей теплоемкостью). Правда, замкнув цикл, инженеры вынуждены были позаботиться об искусственном охлаждении рабочего тела. Так появился охладитель, которого не было у первых двигателей внешнего сгорания. И хотя нагреватель и охладитель, как бы компактны они ни были, утяжеляют стирлинг, зато сообщают ему одно очень важное качество.
Изолированные от внешней среды, они практически не зависят от нее. Стирлинг может работать от любого источника тепла всюду: под водой, под землей, в космосе - то есть там, где двигатели внутреннего сгорания, нуждающиеся в воздухе, работать не могут. В таких условиях без нагревателей и охладителей, передающих тепло через стенку, в принципе нельзя обойтись. И тут-то стирлинг побивают своих соперников даже по весу. У первых опытных образцов удельный вес на единицу мощности был порядка 6-7 кг на л. с., как у судовых дизелей. Современные стирлинги имеют еще меньшее соотношение - 1,5-2 кг на л. с. Они еще более компактны и легки.
Итак, схема стала двухконтурной: один контур с рабочим агентом и второй - подвод тепла; это позволило довести энергосъем до 200 л. с. на литр рабочего объема, а к.п.д. - до 38-40 процентов. Для сравнения:современ-
ные дизели имеют к.п.д. 34-38 процентов, а карбюраторные двигатели - 25-28. Кроме того, процесс сгорания топлива у стирлинга непрерывный, а это резко снижает токсичность - по выходу окиси углерода в 200 раз, по окиси азота - на 1-2 порядка. Вот где, возможно, одно из радикальных решений проблемы загрязнения атмосферы городов.
Рабочая часть современного Стирлинга представляет собой замкнутый объем, заполненный рабочим газом (рис. 2). Верхняя часть объема - горячая, она непрерывно нагревается. Нижняя - холодная, все время охлаждается водой. В том же объеме - цилиндр с двумя поршнями: вытеснителем и рабочим. Когда поршень идет вверх, газ в объеме сжимается; вниз - расширяется. Движением же вверх-вниз поршня-вытеснителя производится попеременное распределение нагретого и охлажденного газа. Когда поршень-вытеснитель находится в верхнем положении (в горячем пространстве), большая часть газа оказывается вытесненной в холодную зону. В это время рабочий поршень начинает двигаться вверх и сжимает холодный газ. Теперь поршень-вытеснитель устремляется вниз до соприкосновения с рабочим поршнем, и сжатый холодный газ перекачивается в горячее пространство. Расширение нагреваемого газа - рабочий ход. Часть энергии рабочего хода запасается на последующее сжатие холодного газа, а избыток идет на вал двигателя.
Регенератор находится между холодным и горячим пространствами. Когда расширившийся горячий газ движением поршня-вытеснителя перекачивается в холодную часть, он проходит через плотный пучок тонких медных проволочек и отдает им содержащееся в нем тепло. Во время обратного хода сжатый холодный воздух, прежде чем попасть в горячую часть, отбирает это тепло обратно.
1 - топливная форсунка; 2 - выхлоп охлажденных газов, 3 - воздухонагреватель; 4 - выход горячих газов; 5 - горячее пространство; 6 - регенератор; 7 - цилиндр; 8 - трубки охладителя; 9 - холодное пространство; 10 - рабочий поршень; 11 - ромбический привод; 12 - камера сгорания; 13 - трубки нагревателя; 14 - поршень-вытеснитель; 15 - впуск воздуха для сжигания топлива; 16 - буферная полость.
Конечно, в реальной машине все выглядит не так просто (рис. 3). Невозможно быстро нагреть газ через толстую стенку цилиндра, для этого нужна гораздо большая поверхность нагрева. Вот почему верхняя часть замкнутого объема превращается в систему тонких трубок, нагреваемых пламенем форсунки. Чтобы как можно полнее использовать теплоту продуктов сгорания, холодный воздух, подводящийся к форсунке, предварительно подогревается выхлопными газами - так появляется довольно сложный контур сгорания.
Холодная часть рабочего объема - тоже система трубок, в которые нагнетается охлаждающая вода.
Под рабочим поршнем - замкнутая буферная полость, наполненная сжатым газом. Во время рабочего хода давление в этой полости повышается. Запасаемой при этом энергии достаточно для того, чтобы сжать холодный газ в рабочем объеме.
По мере совершенствования неудержимо росли температура и давление. 800° по Цельсию и 250 атм. - это весьма трудная задача для конструкторов, это поиски особо прочных и термостойких материалов, сложная проблема охлаждения, так как выделение тепла по сравнению с классическими двигателями здесь в полтора-два раза больше.
Результаты этих экспериментов порой приводят к самым неожиданным находкам. К примеру, специалисты фирмы «Филипс», обкатывая свой движок на холостом ходу (без нагрева), заметили, что головка цилиндра сильно охлаждается. Совершенно случайно обнаруженный эффект повлек за собой целую серию разработок, и в итоге рождение новой холодильной машины. Сейчас такие высокопроизводительные и малогабаритные холодильные агрегаты широко используются во всем мире. Но вернемся к тепловым машинам.
Последующие события нарастают как снежный ком. В 1958 году с приобретением лицензий другими фирмами стирлинг шагнул за океан. Его стали испытывать в самых различных областях техники. Разрабатывается проект применения двигателя для питания аппаратуры космических кораблей и спутников. Для полевых радиостанций создаются энергоустановки, работающие на любом виде топлива (мощностью порядка 10 л. с.), обладающие настолько малым уровнем шума, что его не слышно за 20 шагов.
Громадную сенсацию вызвала демонстрационная установка, работающая на двадцати видах топлива. Без отключения двигателя, простым поворотом крана, в камеру сгорания поочередно подавали бензин, солярку, сырую нефть, оливковое масло, горючий газ - и машина прекрасно «съедала» любой «корм». В зарубежной печати были сообщения о проекте двигателя на 2,5 тысячи л. с. с атомным реактором. Предполагаемый к.п.д. 48-50%. Значительно уменьшаются все габариты энергоблока, что позволяет высвободившиеся вес и площадь отдать под биологическую защиту реактора.
Еще одна интересная разработка - привод для искусственного сердца весом 600 г и мощностью 13 вт. Слаборадиоактивный изотоп обеспечивает ее практически неисчерпаемым источником энергии.
Двигатель Стирлинга испытывался на некоторых автомобилях. По своим рабочим параметрам он не уступил карбюраторному, а уровень шумов и токсичность выхлопных газов значительно снизились.
Автомобиль со стирлингом может работать на любом виде.топлива, а при необходимости - на расплаве. Представьте: перед тем как въехать в город, водитель включает горелку и расплавляет несколько килограммов окиси алюминия или гидрида лития. По городским улицам он едет «не дымя»: двигатель работает от тепла, запасенного расплавом. Одна из фирм изготовила мотороллер, в бак которого заливается около 10 литров расплава фтористого лития. Такой зарядки хватает на 5 часов работы при мощности движка 3 л. с.
Работы над Стирлингами продолжаются. В 1967 году изготовлен образец опытной установки мощностью 400 л. с. на один цилиндр. Проводится комплексная программа, согласно которой к 1977 году планируется серийное производство двигателей с диапазоном мощности от 20 до 380 л. с. В 1971 году «Филипс» выпустила четырехцилиндровый промышленный двигатель в 200 л. с. с полным весом 800 кг. Уравновешенность его настолько высока, что поставленная ребром на кожух монета (размером в пятак) стоит не шелохнувшись.
К достоинствам нового типа двигателя можно отнести и большой моторесурс порядка 10 тыс. час. (есть отдельные данные о 27 тыс.), и плавность работы, так как давление в цилиндрах нарастает плавно (по синусоиде), а не взрывами, как у дизеля.
Перспективные разработки новых моделей проводятся и у нас. Ученые и инженеры трудятся над кинематикой различных вариантов, на электронно-вычислительных машинах просчитывают различные виды «сердца», стирлинга-регенератора. Идет поиск новых инженерных решений, которые лягут в основу экономичных и мощных двигателей, способных потеснить привычные дизели и бензиновые моторы, исправив тем самым несправедливую ошибку истории.
А. АЛЕКСЕЕВ
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter , чтобы сообщить нам.
Одним из перспективных источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от привычного для всех ДВС. Но на какое-то время после разработки о нём благополучно забыли.
История создания
В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг.
Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.
Несмотря на такой быстрый успех продвижения модели, в начале двадцатого столетия от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались из-за его себестоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации
Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду.
При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла.
Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.
На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.
Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх.
Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.
Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному.
Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой - высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость.
Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.
Некоторые детали работы двигателя
В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.
Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.
После освоения жаропрочной керамики и других инновационных материалов появится возможность ещё сильнее увеличить температуру среды. КПД может при таких условиях достичь даже 60 %.
Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.
Модификация «Альфа»
Такой двигатель состоит из горячего и холодного раздельных силовых поршней, находящихся в собственных цилиндрах. К цилиндру с горячим поршнем поступает тепло, а холодный располагается в охлаждающем теплообменнике.
Модификация «Бета»
В этом варианте двигателя цилиндр, в котором расположился поршень, с одной стороны нагревается, а другой охлаждается. Внутри цилиндра двигаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объёма рабочего газа. Регенератор же выполняет возвращение остывшего рабочего вещества в нагретую полость двигателя.
Модификация «Гамма»
Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень. А второй - холодный только с одной стороны, а с другой - нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя. Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.
Преимущества двигателя внешнего сгорания
Этот вид двигателей неприхотлив в плане топлива, поскольку основой его работы является перепад температур. Чем вызван этот перепад — особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не нуждается в дополнительных системах и навесном оборудовании (стартер, коробка передач). Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией долгого срока эксплуатации: двигатель может работать непрерывно в течении примерно ста тысяч часов. Ещё одним серьёзным преимуществом двигателя внешнего сгорания является бесшумность. Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов. Особенно выделяется по этому параметру модификация «Бета». Её конструкция оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологичность. В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, способные негативно влиять на окружающую среду.
При выборе альтернативных источников тепла (энергии солнца) двигатель Стирлинга превращается в разновидность экологически чистого силового агрегата.
Недостатки двигателя внешнего сгорания
Массовый выпуск таких двигателей в настоящее время невозможен. Основная проблема - это материалоёмкость конструкции. Охлаждение рабочего тела двигателя требует установку радиаторов с большими объёмами. Вследствие этого увеличиваются размеры. Использование сложных видов рабочего тела вроде водорода или гелия поднимает вопрос о безопасности двигателя. Теплопроводность и температурная стойкость должны быть на высоком уровне. Тепло к рабочему объёму поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется по дороге. При изготовлении теплообменники приходится использовать термостойкие металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы стоят дорого и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Требуется разработка специальных управляющих устройств. Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и угла фаз между вытеснителем и силовым поршнем. Также можно изменить ёмкость полости с рабочим телом.
Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях
Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group. Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель. Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.
Наиболее выделяющимся успешным образцом стал Philips 4-125DA, доступный для установки на легковые автомобили. Рабочая мощность двигателя составляла 173 лошадиных силы. Размеры несильно отличались от обычного бензинового ДВС.
Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем. Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями. Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.
Загрузка...
