Двигатель Стирлинга (1 гиф). Электростанции на двигателе Стирлинга — простота, экономичность и экологическая безопасность Турбинный двигатель внешнего сгорания
Вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.
С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.
Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.
Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):
История двигателя Стирлинга
Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.
Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.
Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:
P*V=n*R*T
- P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
- V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
- n – молярное количество газа в двигателе;
- R – постоянная газа;
- T – степень нагрева газа в двигателе К,
Модель двигателя Стирлинга:
За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.
Цикл
Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.
Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.
Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):
Идеальные круговые явления:
- 1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;
- 2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
- 3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
- 4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.
Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объём»):
Из расчёта (моль) вещества:
Подводимое тепло:
Получаемое охладителем тепло:
Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):
R – Универсальная постоянная газа;
СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.
За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.
КПД кругового явления:
ɳ =
Примечательно, что без теплообменника совокупность процессов Стирлинга осуществима, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение совокупности процессов задом наперёд ведёт к описанию охлаждающего механизма. В этом случае наличие регенератора, обязательное условие, поскольку при прохождении (3-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Так же невозможно отдать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.
Принцип работы двигателя
Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.
Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.
- Позиция «A»:
Поршень расположен в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.
- Позиция «B»:
Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещаясь, пропускает вещество через торцевые щели ко дну, сам охлаждается. Поршень стоит неподвижно.
- Позиция «C»:
Вещество получает тепло, под действием тепла увеличивается в объёме и поднимает расширитель с поршнем вверх. Совершается работа, после чего вытеснитель опускается на дно, выталкивая вещество и охлаждаясь.
- Позиция «D»:
Поршень опускается вниз, сжимает охлаждённое вещество, выполняется полезная работа. Маховик служит в конструкции аккумулятором энергии.
Рассмотренная модель без регенератора, поэтому КПД механизма не велико. Тепло вещества после совершения работы отводится в охлаждающую жидкость, используя стенки. Температура не успевает снижаться на нужную величину, поэтому время охлаждения продлевается, скорость мотора маленькая.
Виды двигателей
Конструктивно, есть несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, основными видами считаются:
Конструкция применяет два разных поршня, помещенных в различные контуры. Первый контур используется для нагрева, второй контур применяется для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство обладает хорошим соотношением мощности к объёму. Недостаток в том, что температура горячего регенератора создает конструктивные сложности.
- Двигатель «β – Стирлинг»:
Конструкция использует один замкнутый контур, с разными температурами на концах (холодный, горячий). В полости расположен поршень с вытеснителем. Вытеснитель делит пространство на холодную и горячую зону. Обмен холодом и теплом происходит путём перекачивания вещества через теплообменник. Конструктивно, теплообменник выполняется в двух вариантах: внешний, совмещённый с вытеснителем.
- Двигатель «γ – Стирлинг»:
Поршневой механизм предусматривает применение двух замкнутых контуров: холодного и с вытеснителем. Мощность снимается с холодного поршня. Поршень с вытеснителем с одной стороны горячий, с другой стороны холодный. Теплообменник располагается как внутри, так и снаружи конструкции.
Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:
- Роторный двигатель Стирлинга.
Конструктивно изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Заложен синергетический подход реализации цикла. Корпус содержит радиальные прорези. В углубления вставлены лопасти с определённым профилем. Пластины надеты на ротор и могут двигаться вдоль оси при вращении механизма. Все детали создают меняющиеся объёмы с выполняющимися в них явлениями. Объёмы различных роторов связаны при помощи каналов. Расположение каналов имеют сдвиг в 90° друг к другу. Сдвиг роторов относительно друг друга составляет 180°.
- Термоакустический двигатель Стирлинга.
Двигатель использует акустический резонанс для проведения процессов. Принцип основан на перемещении вещества между горячей и холодной полостью. Схема уменьшает количество движущихся деталей, сложность в снятии полученной мощности и поддержании резонанса. Конструкция относится к свободнопоршневому виду мотора.
Двигатель Стирлинга своими руками
Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.
Низкотемпературный двигатель Стирлинга:
- Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
- Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
- Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
- Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
- В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
- Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
- Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
- Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;
- Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
- Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
- Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.
После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.
Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.
Преимущества
Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:
- Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
- Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
- Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
- Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
- Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
- Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
- Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».
Недостатки
К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:
- Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
- Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
- Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
- Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
- Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.
Использование
Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно применяется там, где габариты и всеядность важный критерий:
- Двигатель Стирлинг-электрогенератор.
Механизм преобразования тепла в электрическую энергию. Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установки по использованию солнечной энергии.
- Двигатель, как насос (электрика).
Двигатель применяют для установки в контур отопительных систем, экономя на электрической энергии.
- Двигатель, как насос (обогреватель).
В странах с тёплым климатом двигатель используют как обогреватель для помещений.
Двигатель Стирлинга на подводной лодке:
- Двигатель, как насос (охладитель).
Практически все холодильники в своей конструкции применяют тепловые насосы, устанавливая двигатель Стирлинга, экономятся ресурсы.
- Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.
Устройство применяют в качестве холодильника. Для этого процесс запускают в обратную сторону. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.
- Двигатель для подводной техники.
Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.
Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:
- Двигатель, как аккумулятор энергии.
Топливо в таких агрегатах, расплавы соли, двигатель применяют, как источник энергии. Мотор по запасу энергии опережает химические элементы.
- Солнечный двигатель.
Преобразуют энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае, водород или гелий. Двигатель ставится в фокусе максимальной концентрации энергии солнца, созданного при помощи параболической антенны.
Современное автомобилестроение вышло на такой уровень развития, при котором без фундаментальных научных исследований практически невозможно достигнуть кардинальных улучшений в конструкции традиционных моторов внутреннего сгорания. Такая ситуация вынуждает конструкторов обратить внимание на альтернативные проекты силовых установок . Одни инженерные центры сосредоточили свои силы на создании и адаптации к серийному выпуску гибридных и электрических моделей, другие автоконцерны вкладывают средства в разработку двигателей на топливе из возобновляемых источников (например, биодизель на рапсовом масле). Существуют и другие проекты силовых агрегатов, которые в перспективе могут стать новым стандартным движителем для транспортных средств.
Среди возможных источников механической энергии для автомобилей будущего следует назвать двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине XIX века шотландцем Робертом Стирлингом в качестве тепловой расширительной машины.
Схема работы
Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу за счет изменения температуры рабочего тела (газа или жидкости), циркулирующего в замкнутом объеме.
В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.
Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга.
Стирлинг модификации «Альфа»
Двигатель состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.
Стирлинг модификации «Бета»
Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположного конца. В цилиндре двигается силовой поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема рабочего газа. Обратное перемещение остывшего рабочего вещества в горячую полость двигателя выполняет регенератор.
Стирлинг модификации «Гамма»
Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый - полностью холодный, в котором движется силовой поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, служит для перемещения вытеснителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или входить в конструкцию вытеснителя.
Преимущества двигателя Стирлинга
Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность : двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.
Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло - силовой агрегат продолжал устойчиво работать.
Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).
Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.
Двигатель Стирлинга бесшумен , так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.
В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.
Недостатки конструкции Стирлинга
При всем наборе положительных свойств немедленное массовое применение двигателей Стирлинга невозможно по следующим причинам:
Основная проблема заключается в материалоемкости конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки.
Нынешний технологический уровень позволит двигателю Стирлинга сравниться по характеристикам с современными бензиновыми моторами только за счет применения сложных видов рабочего тела (гелий или водород), находящихся под давлением более ста атмосфер. Этот факт вызывает серьезные вопросы как в области материаловедения, так и обеспечения безопасности пользователей.
Немаловажная эксплуатационная проблема связана с вопросами теплопроводности и температурной стойкости металлов. Тепло подводится к рабочему объему через теплообменники, что приводит к неизбежным потерям. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из термостойких металлов, устойчивых к высокому давлению. Подходящие материалы очень дороги и сложны в обработке.
Принципы изменения режимов двигателя Стирлинга также кардинально отличаются от традиционных, что требует разработки специальных управляющих устройств. Так, для изменения мощности необходимо изменить давление в цилиндрах, угол фаз между вытеснителем и силовым поршнем или повлиять на емкость полости с рабочим телом.
Один из способов управления скоростью вращения вала на модели двигателя Стирлинга можно увидеть на следующем видео:
Коэффициент полезного действия
В теоретических расчетах эффективность двигателя Стирлинга зависит от разницы температур рабочего тела и может достигать 70% и более в соответствии с циклом Карно.
Однако первые реализованные в металле образцы обладали крайне невысоким КПД по следующим причинам:
- неэффективные варианты теплоносителя (рабочего тела), ограничивающие максимальную температуру нагрева;
- потери энергии на трение деталей и теплопроводность корпуса двигателя;
- отсутствие конструкционных материалов, устойчивых к высокому давлению.
Инженерные решения постоянно совершенствовали устройство силового агрегата. Так, во второй половине XX века четырехцилиндровый автомобильный двигатель Стирлинга с ромбическим приводом показал на испытаниях КПД равный 35% на водном теплоносителе с температурой 55 °C.Тщательная проработка конструкции, применение новых материалов и доводка рабочих узлов обеспечили КПД экспериментальных образцов в 39%.
Примечание! Современные бензиновые двигатели аналогичной мощности обладают коэффициентом полезного действия на уровне 28-30%, а турбированные дизели в пределах 32-35%.
Современные образцы двигателя Стирлинга, такие как созданный американской компанией Mechanical Technology Inc, демонстрируют эффективность до 43,5%. А с освоением выпуска жаропрочной керамики и аналогичных инновационных материалов появится возможность значительного повышения температуры рабочей среды и достижения КПД в 60%.
Примеры успешной реализации автомобильных Стирлингов
Несмотря на все сложности, известно немало работоспособных моделей двигателя Стирлинга, применимых для автомобилестроения.
Заинтересованность в Стирлинге, подходящем для установки в автомобиль, появилась в 50-е годы XX века. Работу в данном направлении вели такие концерны, как Ford Motor Company, Volkswagen Group и другие.
Компания UNITED STIRLING (Швеция) разработала Стирлинг, в котором максимально использовались серийные узлы и агрегаты, выпускаемые автопроизводителями (коленчатый вал, шатуны). Получившийся в результате четырехцилиндровый V-образный мотор обладал удельной массой 2,4 кг/кВт, что сравнимо с характеристиками компактного дизеля. Данный агрегат был успешно опробован в качестве силовой установки семитонного грузового фургона.
Одним из успешных образцов является четырехцилиндровый двигатель Стирлинга нидерландского производства модели «Philips 4-125DA», предназначавшийся для установки на легковой автомобиль. Мотор имел рабочую мощность 173 л. с. в размерах, аналогичных классическому бензиновому агрегату.
Значительных результатов добились инженеры компании General Motors, построив в 70-х годах восьмицилиндровый (4 рабочих и 4 компрессионных цилиндра) V-образный двигатель Стирлинга со стандартным кривошипно-шатунным механизмом.
Аналогичной силовой установкой в1972 году оснащалась ограниченная серия автомобилей Ford Torino , расход топлива у которой снизился на 25% по сравнению с классической бензиновой V-образной восьмеркой.
В настоящее время более полусотни зарубежных компаний ведут работы по совершенствованию конструкции двигателя Стирлинга в целях его адаптации к массовому выпуску для нужд автомобилестроения. И если удастся устранить недостатки данного типа двигателей, в то же время сохранив его преимущества, то именно Стирлинг, а не турбины и электромоторы, придет на смену бензиновым ДВС.
Двигатели внешнего сгорания стали использоваться тогда, когда людям потребовался мощный и экономичный источник энергии. До этого использовались паровые установки, однако они были взрывоопасными, так как использовали горячий пар под давлением. В начале 19 века им на смену пришли устройства с внешним сгоранием, а еще через несколько десятков лет были изобретены уже привычные приборы с внутренним сгоранием.
Происхождение устройств
В 19 веке человечество столкнулось с проблемой, которая заключалась в том, что паровые котлы слишком часто взрывались, а также имели серьезные конструктивные недостатки, что делало их использование нежелательным. Выход был найден в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Эти устройства можно также называть "двигателями горячего воздуха", которые применялись еще в 17 веке, однако этот человек добавил к изобретению очиститель, называющийся в настоящее время регенератором. Таким образом, двигатель внешнего сгорания Стирлинга был способен сильно повысить производительность установки, так как он сохранял тепло в теплой рабочей зоне, в то время как рабочее тело охлаждалось. Из-за этого эффективность работы всей системы была значительно увеличена.
В то время изобретение использовалось достаточно широко и находилось на подъеме своей популярности, однако со временем его перестали использовать, и о нем забыли. На смену оборудованию внешнего сгорания пришли паровые установки и двигатели, но уже привычные, с внутренним сгоранием. Вновь о них вспомнили лишь в 20 веке.
Работа установки
Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в том, что в нем постоянно чередуются два этапа: нагревание и охлаждение рабочего тела в замкнутом пространстве и получение энергии. Данная энергия возникает из-за того, что постоянно изменяется объем рабочего тела.
Чаще всего рабочим веществом в таких устройствах становится воздух, однако возможно использование еще и гелия или водорода. В то время пока изобретение находилось на стадии разработки, в качестве опытов использовались такие вещества, как двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан. В некоторых образцах пытались применять даже обычную воду. Стоит отметить, что двигатель внешнего сгорания, который запускали с водой в качестве рабочего вещества, отличался тем, что у него была достаточно высокая удельная мощность, высокое давление, а сам он был достаточно компактным.
Первый тип двигателя. «Альфа»
Первой моделью, которая использовалась, стала «Альфа» Стирлинга. Особенность его конструкции состоит в том, что она имеет два силовых поршня, находящихся в разных в раздельных цилиндрах. Один из них имел достаточно высокую температуру и был горячим, другой, наоборот, холодным. Внутри теплообменника с высокой температурой располагалась горячая пара цилиндр-поршень. Холодная пара находилась внутри теплообменника с низкой температурой.
Основными преимуществами теплового двигателя внешнего сгорания стало то, что они имели высокую мощность и объем. Однако температура горячей пары при этом была слишком велика. Из-за этого возникали некоторые технические трудности в процессе изготовления таких изобретений. Регенератор данного устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.
Второй образец. «Бета»
Вторым образцом стала модель «Бета» Стирлинга. Основное конструктивное отличие заключалось в том, что имелся лишь один цилиндр. Один из его концов выполнял роль горячей пары, а другой конец оставался холодным. Внутри данного цилиндра перемещался поршень, с которого можно снимать мощность. Также внутри имелся вытеснитель, который отвечал за изменение объема горячей рабочей зоны. В данном оборудовании использовался газ, который перекачивался из холодной зоны в горячую через регенератор. Этот вид двигателя внешнего сгорания обладал регенератором в виде внешнего теплообменника или же совмещался с поршнем-вытеснителем.
Последняя модель. «Гамма»
Последней разновидностью данного двигателя стала «Гамма» Стирлинга. Этот тип отличался не только наличием поршня, а также вытеснителя, а еще и тем, что в его конструкцию входили уже два цилиндра. Как и в первом случае один из них был холодным и использовался он для отбора мощности. А вот второй цилиндр, как в предыдущем случае, был холодным с одного конца и горячим с другого. Здесь же перемещался вытеснитель. В поршневом двигателе внешнего сгорания также имелся регенератор, который мог быть двух типов. В первом случае он был внешним и соединял между собой такие конструктивные части, как горячую зону цилиндра с холодной, а также с первым цилиндром. Второй тип - это внутренний регенератор. Если использовался этот вариант, то он входил в конструкцию вытеснителя.
Использование Стирлингов обосновано в том случае, если необходим простой и небольшой преобразователь тепловой энергии. Также его можно использовать в том случае, если разница температур недостаточно велика, чтобы использовать газовые или же паровые турбины. Стоит отметить, что на сегодняшний день такие образцы стали использоваться чаще. К примеру, используются автономные модели для туристов, которые способны работать от газовой конфорки.
Применение устройств в настоящее время
Казалось бы, что такое старое изобретение не может использоваться в наши дни, однако это не так. NASA заказало двигатель внешнего сгорания типа Стирлинга, однако в качестве рабочего вещества должны использоваться ядерные и радиоизотопные источники тепла. Кроме этого, он также успешно может быть использован в следующих целях:
- Использовать такую модель двигателя для перекачки жидкости гораздо проще, чем обычный насос. Во многом это благодаря тому, что в качестве поршня можно применять саму перекачиваемую жидкость. Кроме того, она же и будет охлаждать рабочее тело. К примеру, такой вид "насоса" можно использовать, чтобы накачивать воду в ирригационные каналы, используя для этого солнечное тепло.
- Некоторые изготовители холодильников склоняются к установке таких устройств. Стоимость продукции удастся снизить, а в качестве хладагента можно применять обычный воздух.
- Если совместить двигатель внешнего сгорания этого типа с тепловым насосом, то можно оптимизировать работу тепловой сети в доме.
- Довольно успешно Стирлинги используются на подводных лодках ВМС Швеции. Дело в том, что двигатель работает на жидком кислороде, который впоследствии используется для дыхания. Для подводной лодки это очень важно. К тому же такое оборудование обладает достаточно низким уровнем шума. Конечно, агрегат достаточно большой и требует охлаждения, но именно эти два фактора несущественны, если речь идет о подводной лодке.
Преимущества использования двигателя
Если во время конструирования и сборки применить современные методы, то удастся поднять коэффициент полезного действия двигателя внешнего сгорания до 70%. Использование таких образцов сопровождается следующими положительными качествами:
- Удивительно, однако крутящий момент в таком изобретении практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала.
- В данном силовом агрегате отсутствуют такие элементы, как система зажигания и клапанная система. Также здесь отсутствует распредвал.
- Достаточно удобно то, что на протяжении всего периода использования не потребуется проводить регулировку и настройку оборудования.
- Данные модели двигателя не способны "заглохнуть". Простейшая конструкция аппарата позволяет использовать его достаточно продолжительное время в полностью автономном режиме.
- В качестве источника энергии можно использовать практически все, начиная от дров и заканчивая урановым топливом.
- Естественно, что в двигателе внешнего сгорания процесс сжигания веществ осуществляется снаружи. Это способствует тому, что топливо дожигается в полном объеме, а количество токсических выбросов минимизируется.
Недостатки
Естественно, что любое изобретение не лишено недостатков. Если говорить о минусах таких двигателей, то они заключаются в следующем:
- Из-за того что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод получаемого тепла происходит через стенки радиатора. Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
- Материалоемкость. Для того чтобы создать компактную и эффективную модель двигателя Стирлинг, необходимо иметь качественную жаропрочную сталь, которая сможет выдержать большое давление и высокую температуру. Кроме того, должна быть низкая теплопроводность.
- В качестве смазки придется покупать специальное средство, так как обычное коксуется при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
- Для получения достаточно высокой удельной мощности придется использовать либо водород, либо гелий в качестве рабочего вещества.
Водород и гелий в качестве топлива
Получение высокой мощности, конечно же, необходимо, однако нужно понимать, что использование водорода или гелия достаточно опасно. Водород, к примеру, сам по себе достаточно взрывоопасен, а при высоких температурах он создает соединения, которые называются металлогидритами. Это происходит, когда водород растворяется в металле. Другими словами, он способен разрушить цилиндр изнутри.
Кроме того, и водород, и гелий - это летучие вещества, которые характеризуются высокой проникающей способностью. Если говорить проще, то они достаточно легко просачиваются сквозь практически любые уплотнения. А потери вещества означают потери в рабочем давлении.
Роторный двигатель внешнего сгорания
Сердце такой машины - это роторная машина расширения. Для двигателей с внешним типом сгорания этот элемент представлен в виде полого цилиндра, который с обеих сторон прикрыт крышками. Сам по себе ротор имеет вид колеса, который посажен на вал. Также у него имеется определенное количество П-образных выдвигающихся пластин. Для их выдвижения используется специальное выдвижное устройство.
Двигатель внешнего сгорания Лукьянова
Юрий Лукьянов - это научный сотрудник Псковского политехнического института. Он уже достаточно давно занимается разработкой новых моделей двигателей. Ученый старался сделать так, чтобы в новых моделях отсутствовали такие элементы, как коробка передач, распредвал и выхлопная труба. Основной недостаток устройств Стирлинга заключался в том, что они имели слишком большие габариты. Именно этот недостаток ученому и удалось устранить за счет того, что лопасти были заменены на поршни. Это помогло уменьшить размер всей конструкции в несколько раз. Некоторые говорят о том, что можно сделать двигатель внешнего сгорания своими руками.
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.
