Цикл Стирлинга считается непременной принадлежностью именно двигателя Стирлинга. В то же время, детальное изучение принципов работы множества созданных на сегодняшний день конструкций, показывает, что значительная часть из них имеет рабочий цикл, отличный от цикла Стирлинга. Например, альфа-стирлинг с поршнями разного диаметра имеет цикл, более похожий на цикл Эрикссона. Бета- и гамма-конфигурации, имеющие достаточно большой диаметр штока у поршня-вытеснителя, также занимают некое промежуточное положение между циклами Стирлинга и Эрикссона.
При движении вытеснителя в бета-конфигурации изменение состояния рабочего тела происходит не по изохоре, а по наклонной линии, промежуточной между изохорой и изобарой. При некотором отношении диаметра штока к общему диаметру вытеснителя можно получить изобару (это отношение зависит от рабочих температур). В этом случае поршень, который ранее был рабочим, играет лишь вспомогательную роль, а настоящим рабочим становится шток вытеснителя. Удельная мощность такого двигателя оказывается примерно в 2 раза большей, чем в привычных стирлингах, ниже потери на трение, т. к. давление на поршень более равномерно. Схожая картина в альфа-стирлингах с разным диаметром поршней. Двигатель с промежуточной диаграммой может иметь нагрузку, равномерно распределённую между поршнями, т. е. между рабочим поршнем и штоком вытеснителя.
Важным преимуществом работы двигателя по циклу Эрикссона или близкому к нему является то, что изохора заменена на изобару или близкий к ней процесс. При расширении рабочего тела по изобаре не происходит никаких изменений давления, никакого теплообмена, кроме передачи тепла от рекуператора рабочему телу. И этот нагрев тут же совершает полезную работу При изобарном сжатии происходит отдача тепла рекуператору.
В цикле Стирлинга при нагреве или охлаждении рабочего тела по изохоре происходят потери тепла, связанные с изотермическими процессами в нагревателе и охладителе.
Конфигурация
Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:
Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.
Также существуют разновидности двигателя Стирлинга не попадающие под вышеуказанные три классических типа:
Недостатки
Преимущества
Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.
Применение
Двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока
Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим компактный преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины.
Термоакустика – раздел физики о взаимном преобразовании тепловой и акустической энергии. Он образовался на стыке термодинамики и акустики. Отсюда такое название. Наука эта очень молодая. Как самостоятельная дисциплина она возникла в конце 70-х годов прошлого века, когда швейцарец Никалаус Ротт закончил работу над математическими основами линейной термоакустики. И всё же она возникла не на пустом месте. Её возникновению предществовали открытия интересных эффектов, которые мы просто обязаны рассмотреть.
С ЧЕГО ЭТО НАЧИНАЛОСЬ
Термоакустика имеет длинную историю, которая берёт своё начало более двух веков назад.
Первые официальные записи о колебаниях, порождаемых теплом, сделаны Хиггинсом в 1777 г. Он экспериментировал с открытой стеклянной трубкой, в которой акустические колебания возбуждались с помощью водородной горелки, расположенной определённым образом. Этот опыт вошёл в историю, как «поющее пламя Хиггинса».
Рисунок 1. Поющее пламя Хиггинса
Однако, современным физикам более известен другой эксперимент, получивший название «трубка Рийке». В процессе своих опытов Рийке создал новый музыкальный инструмент из органной трубки. Он заменил водородное пламя Хиггинса на подогреваемый проволочный экран и экспериментально показал, что самый сильный звук рождается в том случае, когда экран расположен на расстоянии четверти трубки от её нижнего конца. Колебания прекращались, если накрыть верхний конец трубки. Это доказывало, что для получения звука необходима продольная конвективная тяга. Работы Хиггинса и Рийке позже послужили основой для зарождения науки о горении, которая сегодня применяется везде, где используется это явление от
Рисунок 2. Трубка Рийке.
горения пороховых шашек до ракетных двигателей. Явлениям, протекающим в трубке Рийке посвящены тысячи диссертаций во всём мире, но интерес к этому устройству не ослабевает до сих пор.
В 1850 г. Сондхаусс обратился к странному явлению, которое наблюдают в своей работе стеклодувы. Когда шарообразное утолщение из горячего стекла гонит воздух в холодный конец трубки стеклодува, генерируется чистый звук. Анализируя явление, Сондхаусс обнаружил, что звук генерируется, если нагревать шарообразное утолщение на конце трубки. При этом звук изменяется с изменением длины трубки. В отличие от трубки Рийке трубка Сондхаусса не зависела от конвективной тяги.
Рисунок 3. Трубка Сондхаусса.
Похожий эксперимент позже осуществил Таконис. В отличие от Сондхаусса он не подогревал конец трубки, а охлаждал его криогенной жидкостью. Это доказывало, что для генерации звука важен не подогрев, а перепад температур.
Первый качественный анализ колебаний, вызванных теплом, был дан в 1887 г. Лордом Рэлеем. Сформулированное Рэлеем объяснение перечисленных выше явлений сегодня известно термоакустикам как принцип Рэлея. Он звучит примерно так: «Если газу передать тепло в момент наибольшего сжатия или отобрать тепло в момент наибольшего разряжения, то это стимулирует колебания.
» Несмотря на свою простоту, эта формулировка полностью описывает прямой термоакустический эффект, то есть преобразование тепловой энергии в энергию звука.
Вихревой эффект
Вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect ) - эффект разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре - закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в другую сторону, чем на периферии. Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 20-х годов при измерении температуры в промышленном циклоне. В конце 1931 г Ж.Ранк подает заявку на изобретенное устройство, названное им «Вихревой трубой» (в литературе встречается как труба Ранке). Получить патент удается только в 1934 году в Америке (Патент США № 1952281). В настоящее время реализован ряд аппаратов, в которых используется вихревой эффект, вихревых аппаратов. Это «вихревые камеры» для химического разделения веществ под действием центробежных сил и «вихревые трубы», используемые как источник холода.
С 1960-х годов вихревое движение является темой множества научных исследований. Регулярно проводятся специализированные конференции по вихревому эффекту, например, в Самарском аэрокосмическом университете.
Существуют и применяются вихревые теплогенераторы и микрокондиционеры.
В этом мире есть вещи гениальные, непостижимые и совершенно нереальные. Настолько нереальные, что кажутся артефактами из некой параллельной Вселенной. К числу таких артефактов наряду с двигателем Стирлинга, вакуумной радиолампой и чёрным квадратом Малевича в полной мере относится т.н. "турбина Тесла".
Вообще говоря отличительная черта всех подобных вещей - абсолютная простота. Не упрощённость, а именно простота. То есть как в творениях Микеланджело - отсутствует всё лишнее, какие-то технические или смысловые "подпорки", чистое сознание, воплощённое "в железе" или выплеснутое на холст. И при всём при этом абсолютная нетиражность. Чёрный Квадрат - это своего рода "орт" искусства. Второго такого написанного другим художником быть не может.
Всё это в полной мере относится и к турбине Тесла. Конструктивно она представляет собой несколько (10-15) тонких дисков, укреплённых на оси турбины на небольшом расстоянии друг от друга и помещённые в кожух, напоминающий милицейский свисток.
Не стоит и объяснять, что дисковый ротор намного более технологичен и надёжен, чем даже "колесо Лаваля", я уж молчу о роторах обычных турбин. Это первое достоинство системы. Второе состоит в том, что в отличие от других типов турбин, где для ламинаризации течения рабочего тела необходимо принимать специальные меры. В турбине Тесла рабочее тело (которым может быть воздух, пар или даже жидкость) течёт строго ламинарно. Поэтому потери на газодинамическое трение в ней сведены к нулю: КПД турбины составляет 95%.
Правда следует иметь в виду, что КПД турбины и КПД термодинамического цикла - несколько разные вещи. КПД турбины можно охарактеризовать, как отношение энергии, преобразуемой в механическую энергию на валу ротора турбины к энергии рабочего цикла (то есть разнице начальной и конечной энергий рабочего тела). Так КПД современных паровых турбин так же весьма высок - 95-98%, однако КПД термодинамического цикла в силу ряда ограничений не превышает 40-50%.
Принцип действия турбины основан на том, что рабочее тело (допустим - газ), закручиваясь в кожухе, за счёт трения "увлекает" за собой ротор. При этом отдавая часть энергии ротору, газ замедляется, и благодаря возникающей при взаимодействии с ротором кориолисовой силе, подобно чаинкам в чае "скатывается" к оси ротора, где имеются специальные отверстия, через которые осуществляется отвод "отработанного" рабочего тела.
Турбина Тесла, как и турбина Лаваля преобразует кинетическую энергию рабочего тела. То есть превращение потенциальной энергии (например сжатого воздуха или перегретого пара) в кинетическую необходимо произвести до подачи на ротор турбины с помощью сопла. Однако турбина Лаваля, имея в целом достаточно высокий КПД, оказывалась крайне неэффективной на низких оборотах, что заставляло конструировать редукторы, размеры и масса которых многократно превышали размеры и массы самой турбины. Фундаментальным отличием турбины Тесла является тот факт, что она вполне эффективно работает в широком диапазоне частот вращения, что позволяет соединять её вал с генератором непосредственно. Кроме того, турбина Тесла легко поддаётся реверсированию.
Интересно, что сам Никола Тесла позиционировал своё изобретение, как способ высокоэффективного использования геотермальной энергии, которую он считал энергией будущего. Кроме того турбина без каких-либо переделок может превратиться в высокоэффективный вакуумный насос - достаточно раскрутить её вал от другой турбины или электродвигателя.
Технологичность турбины Тесла позволяет изготавливать её варианты буквально из чего угодно: дисковый ротор можно сделать из старых компакт-дисков или "блинов" от вышедшего из строя компьютерного "винчестера". При этом мощность такого двигателя не смотря на "игрушечные" материалы и габариты получается весьма внушительной. Кстати о габаритах: двигатель мощностью 110 л.с. был не больше системного блока нынешнего персонального компьютера.
Устройства на эффекте Ранка
Эффект Ранка с самого начала привлекал изобретателей кажущейся простотой технической реализации - в самом деле, простейшая реализация вихревой трубы представляет собой кусок трубы самый обычной, куда с одной стороны внутрь тангенциально подаётся исходный поток, а на противополжном торце установлена кольцевая диафрагма, и из её внутреннего отверстия выходит охлаждённая часть потока, а из щели между внешним краем диафрагмы и внутренней поверхностью трубы - его горячая часть. Однако на самом деле не всё так просто - добиться эффективного разделения удаётся далеко не всегда, да и КПД таких установок обычно заметно уступает широко распространённым компрессорным тепловым насосам. Кроме того, обычно параметры установки на эффекте Ранка рассчитаны для конкретной мощности, определяемой скоростью и расходом вещества исходного потока, и когда параметры входного потока отклоняются от оптимальных значений, КПД вихревой трубы существенно ухудшается. Тем не менее следует заметить, что возможности некоторых установок на эффекте Ранка внушают уважение - например, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С!
Впрочем, с учётом нашего климата, гораздо больший интерес представляет использование эффекта Ранка для обогрева, да при этом ещё хотелось бы и не выходить за рамки «подручных средств».
Суть эффекта Ранка
При движении потока газа или жидкости по плавно поворачивающей поверхности трубы у её внешней стенки образуется область повышенного давления и температуры, а у внутренней (либо в центре полости, если газ закручен по поверхности цилиндрического сосуда) - область пониженной температуры и давления. Это достаточно хорошо известное явление называется эффектом Ранка по имени открывшего его в 1931 г. французского инженера Жозефа Ранка (G.J.Ranque, иногда пишут «Ранке»), или эффектом Ранка-Хилша (немец Robert Hilsh продолжил исследование этого эффекта во второй половине 1940-х годов и улучшил эффективность вихревой трубы Ранка). Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса, энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы.
Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что центробежные силы во вращающемся потоке направлены наружу. Как известно, более тёплые слои газа или жидкости имеют меньшую плотность и должны подниматься вверх, а в случае цетробежных сил - стремиться к центру, более холодные имеют большую плотность и, соответственно, должны стремиться к периферии. Между тем при большой скорости вращающегося потока всё происходит с точностью до наоборот!
Эффект Ранка проявляется как для потока газа, так и для потока жидкости, которая, как известно, является практически несжимаемой и потому фактор адиабатического сжатия / расширения к ней неприменим. Тем не менее, в случае жидкости эффект Ранка обычно выражен значительно слабее - возможно, именно по этой причине, да и очень малая длина свободного пробега частиц затрудняет его проявление. Но это верно, если оставаться в рамках традиционной молекулярно-кинетической теории, а у эффекта могут быть и совсем другие причины.
На мой взгляд, на данный момент наиболее полное и достоверное научное описание эффекта Ранка представлено в статье А.Ф.Гуцола (в формате pdf). Как ни удивительно, в своей основе его выводы о сути явления совпадают с полученными нами «на пальцах». К сожалению, он оставляет без внимания первый фактор (адиабатическое сжатие газа у внешнего радиуса и расширение у внутреннего), который, на мой взгляд, весьма существенен при использовании сжимаемых газов, правда, действует он только внутри устройства. А второй фактор А.Ф.Гуцол называет «разделением быстрых и медленных микрообъёмов».
Размещено на сайте 12.03.2009.
5 ПРЕДИСЛОВИЕ КАФЕДРЫ ПРОГНОЗОВ
Добрый день, уважаемые читатели.
Наша серия выпусков про автомобили была бы не полной, если бы не рассмотрели автомобили на двигателе внешнего сгорания, которые были придуманы в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом.
Побудительным мотивом изобретателя было огромное количество травм, которые получали рабочие на производствах эпохи промышленной революции в Англии.
История техники сообщает только об одном опыте строительства автомобилей
на основе использования этого двигателя. Это произошло в 1972 году. Изображения этого автомобиля я не нашёл, зато отыскалась очень интересная статья российского инновационного центра, которую я с удовольствием представляю сегодня.
Для квалифицированного чтения предлагаю небольшой общеобразовательный экскурс в эту область, которую я оформил в виде дайджеста из нескольких цитат.
Источник тепла нагревает газ в правой части теплообменного цилиндра. Газ разширяется и через трубку оказывает давление на рабочий поршень. Поршень опускается, толкает шатун и поворачиает маховик. При этом одновременно в право двигатется вытеснительный поршень. Он вытесняет газ из нагревающейся части теплообменного цилиндра в его холодную часть, которая имеет охлаждающееся оребрение. Теплообменный поршень заполнен теплоизолирующим материалом. Газ остывает, создавая обратное усилие на рабочий поршень, поршень поднимается вверх и цикл повторяется с начала.
Стирлинга двигатель, двигатель внешнего сгорания, двигатель с внешним подводом и регенерацией тепловой энергии, преобразуемой в полезную механическую работу. С. д. назван по имени английского изобретателя Р. Стирлинга (R. Stirling; 1790—1878), который в 1816—40 создал двигатель с незамкнутым циклом, работавший на подогреваемом воздухе. Двигатель имел несовершенный регенератор (теплообменник), был громоздким и тяжёлым, вследствие чего не нашёл применения. Современый С. д. работает по замкнутому регенеративному циклу (циклу Стирлинга), состоящему из последовательно чередующихся двух изотермических и двух изохорических процессов. Рабочее тело С. д. — гелий или водород под давлением 10—14 Мн/м2 (100—140 кгс/см2 ) — находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется, а лишь изменяет объём при нагревании и охлаждении. Регенератор как бы разделяет это пространство на верхнюю (горячую) и нижнюю (холодную) полости (рис. 1). К верхней полости тепло подводится от нагревателя, от нижней отводится охладителем, в котором циркулирует вода. В цилиндре С. д. находятся 2 поршня — рабочий и вытеснитель. Горячая и холодная полости соединяются между собой каналами, проходящими через нагреватель, регенератор и охладитель. Рабочий цикл С. д. осуществляется за 4 такта (рис. 2).
Отношение мощности к массе у двигателя Стирлинга сопоставимо с аналогичным показателем дизельного двигателя с турбонаддувом. Удельная мощность на выходе такая же, как и у дизельного двигателя. Крутящий момент практически не зависит от скорости. Двигатель Стирлинга реагирует на изменения нагрузки аналогично дизелю, однако требует более сложной системы регулировки, он более сложен, чем обычные тепловые двигатели. Стоимость его изготовления выше стоимости изготовления ДВС, однако, расходы на эксплуатацию гораздо меньше
Технологии, разработанные в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом, работают и сегодня! Цикл Стирлинга использует внешний источник тепла, которым может быть что угодно - сгорающий бензин, солнечная энергия или даже тепло, производимое компостными бактериями. Внутри цилиндров горения топлива нет!!! Основные качества двигателя Стирлинга - экономичность, невысокие уровни производимых при работе шумов и вибраций, возможность использовать различные виды топлива и малая токсичность отработавших газов. Сегодня двигатели Стирлинга используются только в некоторых очень специализированных областях, например, в подводных лодках или как вспомогательные генераторы на яхтах, где требуется тишина.
Машины Стирлинга - 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. В качестве рабочего тела используются газообразные природные вещества (гелий, азот, сухой воздух и др.). Термодинамический цикл рассматриваемых машин был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. С середины 19 века словосочетание «машина Стирлинга» стало широко употребляться как в классической термодинамике, так и бытовом обиходе. Цикл Стирлинга состоит из двух изотерм и двух изохор. Наличие двух изотерм определяет равенство термодинамической эффективности идеального цикла Стирлинга и цикла Карно. Поэтому машины, работающие по циклу Стирлинга, одни из самых высокоэффективных машин в мире. К достоинствам машин, работающих по циклу Стирлинга, следует отнести высокую степень экологической чистоты как самих рабочих тел машин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуатации, а также энергетическую эффективность.
Машины СТИРЛИНГА - новое перспективное направление в развитии отечественного машиностроения.
До недавнего времени системы автономного энергоснабжения, использовавшие традиционные тепломеханические агрегаты, удовлетворяли существующему уровню развития общества и техники. Однако обострение общенациональных, глобальных проблем, требующих срочного решения (истощение природных ресурсов; надвигающийся энергетический кризис; загрязнение окружающей среды; уменьшение озонового слоя Земли; усиление "парникового эффекта" и т.д) привело к необходимости принятия в конце XX века ряда крупных международных и российских законодательных актов в области экологии, природопользования и энергосбережения. Основные требования этих законов направлены на сокращение выбросов СО2, прекращение производства озоноразрушающих веществ и фреона R-12, как холодильного агента для парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ), ресурсо - и энергосбережение, перевод автотранспорта на экологически чистые моторные топлива и т.д..
Огромные масштабы, удорожание производства топливно - энергетических ресурсов и растущее загрязнение окружающей среды выдвинули на первый план задачу поиска новых технологий энергопреобразования, разработки новой техники на основе высокоэффективных термодинамических циклов, использование новых видов топлива, новых рабочих тел и т.д., то есть создание таких экологически чистых энергосистем, которые бы обеспечивали удовлетворение нужд промышленности и населения при минимальных затратах материальных ресурсов. Наряду с другими подходами, в решении стоящих перед Российской Федерацией экологических и энергетических проблем, наиболее перспективным путем является разработка и широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга (машины Стирлинга).
В настоящее время разработано большое количество компоновочных схем и конструктивного исполнения отдельных узлов машин Стирлинга. Так, только одних приводов известно более 18 типов. Однако наиболее широкое распространение получили машины Стирлинга, выполненные по a , b , g - схемам. Конструктивно, машины Стирлинга представляют собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: теплообменника нагрузки (нагревателя или конденсатора), регенератора и холодильника.
На последних европейских и мировых форумах по современному состоянию и перспективам развития машин, работающих по циклу Стирлинга, отмечалось, что технология изготовления машин Стирлинга за рубежом полностью освоена. Решены проблемы уплотнений двигающихся деталей, выбора материалов, пайки теплообменников и т.д. Ввиду этого, наряду с традиционным применением двигателей и криогенных машин Стирлинга для военных целей (переконденсация низкокипящих жидкостей, охлаждение детекторов инфракрасного излучения, анаэробных систем автономного энергоснабжения и т.д.), перспективными направлениями считаются применение холодильных машин Стирлинга на уровне умеренного холода для хранения пищевых продуктов и систем кондиционирования воздуха, использование двигателей Стирлинга в когенерационных установках, тепловых насосах в системах децентрализованного теплоснабжени и т.д.
Подтверждением возрастающего интереса к машинам Стирлинга служит тот факт, что начиная с 1982 года каждые два года проводится международная конференция по двигателям Стирлинга, а в г. Оснабрюк (Германия) раз в два года проходит Европейский форум по двигателям Стирлинга. Кроме того ежегодно в США проходит конференция, посвященная преобразованию различных видов энергии, на которой работает секция по двигателям Стирлинга. В Великобритании создано общество по изучению двигателей Стирлинга, членами которого являются свыше 300 ученых всего мира. Обществом ежеквартально, начиная с 1996 года, издается журнал “ UK Stirling News ”. В США ежеквартально, начиная с 1978 года, издается журнал “ Stirling Machine World ”. Ежегодно издается одна-две книги, посвященные машинам Стирлинга.
Принципиальными особенностями цикла Стирлинга являются:
Цикл характеризуется нестационарными во времени параметрами потоков рабочего тела в каждой точке системы. Практически это означает, что машина Стирлинга, рабочие полости которой входят в один объем, неизбежно должна быть машиной с периодическим изменением объемов сжатия и расширения, т.е. поршневой машиной. В виду этого преимущественные области применения таких машин - малые и средние мощности;
-цикл предназначен только для работы с газообразным рабочим телом. Чтобы размеры машин при заданной мощности были приемлемы, а внешний и внутренний теплообмен рабочего тела в этих условиях проходил достаточно эффективно, давление в машине должно быть существенно выше атмосферного. По тем же причинам рабочее тело должно иметь малую вязкость, возможно большую теплопроводность и теплоемкость, мало зависящую от давления (иначе возникнут большие собственные потери в регенераторе вследствие различных тепловых эквивалентов теплообменивающихся потоков);
-в цикле регенерация тепла позволяет работать в большом интервале температур (верхняя и нижняя температуры цикла) при относительно малых отношениях давлений сжатия и расширения;
-для реализации цикла в качестве рабочих тел могут быть использованы водород, гелий, азот, воздух и другие газообразные вещества. Использование в качестве рабочего тела газов с высоким значением газовой постоянной (R), например водорода или гелия, позволяет получать в машинах Стирлинга эксергетический* к.п.д. свыше 50%;
-универсальность цикла, на его основе возможно создание как преобра-зователей прямого цикла, так и обратного цикла.
· (примечание КП. Про «эксергетические методы анализа»,: это подход, опирающийся на использование термодинамических потенциалов при анализе процессов превращения энергии в системе см. , , .)
Цикл Стирлинга в преобразователе прямого цикла состоит из четырех процессов: - процесс изотермического сжатия, теплота от рабочего тела с температурой Т сж передается окружающей среде; - процесс при постоянном объеме, теплота от насадки регенератора передается рабочему телу; - процесс изотермического расширения, теплота от внешнего источника с температурой Т max передается рабочему телу; - процесс при постоянном объеме, теплота от рабочего тела передается насадке регенератора.
Цикл Стирлинга в преобразователе обратного цикла также состоит из четырех процессов. Различие с двигателем состоит в том, что температура внешнего источника, от которого подводится теплота в процессе расширения, ниже, чем температура рабочей жидкости, отводящей теплоту в процессе сжатия. В случае холодильной машины, теплота отводится из холодной полости в процессе расширения 3 ’-4’. Работа сжатия (площадь 1-2-5-6) как для двигателя, так и для холодильной машины одна и та же. Работа расширения (площадь 4’-3’-5-6) в холодильной машине меньше работы сжатия, и для реализации данного цикла необходима энергия, подводимая от внешнего источника, эквивалентная площади 1-2-3’-4’. При переходе из полости сжатия в полость расширения в процессе 2-3’ температура рабочего тела уменьшается, в а процессе 4’-1 соответственно увеличивается.
Машины, работающие по прямому циклу Стирлинга - двигатель Стирлинга
В мировых обзорах по энергопреобразующей технике, двигатель Стирлинга рассматривается как двигатель, обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки. Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на раз-личных топливах, большой ресурс, сравнимые размеры и масса, хорошие характеристики крутящегося момента - все эти параметры дают возможность машинам Стирлинга в ближайшее время значительно потеснить двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ). В связи с этим, по сравнению с ДВС, в двигателях Стирлинга процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает более 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, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов. Необходимо отметить, что рядом зарубежных фирм начато производство двигателей, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки (ГТУ).
90° V-двухцилиндровый мотор Стирлинга Германской фирмы SOLO " СОЛО Стирлинг 161 "
Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной, поскольку его теоретическая эффективность равна максимальной эффективности тепловых машин (эффективность цикла Карно). Он работает за счет теплового расширения газа, за которым следует сжатие газа после его охлаждения. Двигатель Стирлинга содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между «холодной» частью (обычно находящейся при температуре окружающей среды) и «горячей» частью, которая обычно нагревается за счет сжигания любого вида топлива или других источников теплоты. Нагрев производится снаружи, поэтому двигатель Стирлинга относят к двигателям внешнего сгорания. К началу 90-х годов прошлого столетия работы по созданию двигателей Стирлинга проводились такими известными фирмами, как ‘Philips” (Нидерланды), “General Motors Co”, “Ford Motor Co”, “NASA Lewis Research Center”, “Los Alamos National Laboratory” (США), “MAN-MBW” (Германия), “Mitsubishi Electric Corp.”, “Toshiba Corp.” (Япония). В течение последнего десятилетия к работам по созданию двигателей Стирлинга приступили также в “Daimler Benz” и “Cummins Power Generation” (СPG) и ряд других крупных фирм.
Машины, работающие по обратному циклу Стирлинга - холодильные машины Стирлинга.
Одним из наиболее перспективных направлений развития холодильной техники в XXI веке является создание и применение холодильных машин Стирлинга умеренного холода (ХМС УХ). Теоретически эффективность холодильных машин Стирлинга умеренного холода равна эффективности идеальной холодильной машины, работающей по циклу Карно. В качестве рабочих тел для машин Стирлинга обратного цикла могут применяться вещества, полностью отвечающие требованиям Венской конвенции по охране озонового слоя и Монреальского протокола по озоноразрушающим веществам. Поэтому широкое внедрение холодильных машин Стирлинга умеренного холода уже в ближайшее время позволило бы в комплексе "эффективность + экологи-ческая чистота" решить проблему создания соответствующих современным требованиям систем холодоснабжения. Современный диапазон производства данных машин колеблется от 1 до 100 кВт, что обеспечивает их использование в системах холодоснабжения во многих областях промышленности и торговле. Преимуществами ХМС УХ являются: высокое значение холодильного коэффициента, широкий диапазон использования в области умеренного холода (от 0 до -80 0С) и экологическая чистота рабочих тел (гелий, водород, азот, воздух). За рубежом уже начато серийное производство холодильных машин Стирлинга умеренного холода по своей эффективности и экологической чистоте превосходящих существующие холодильные машины, работающие по другим циклам, в том числе и парокомпрессионные холодильные машины.
Анализ современной зарубежной научно-технической информации позволяет утверждать, что в промышленно развитых странах в последние 10 лет начались интенсивные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по подготовке к серийному производству холодильных машин Стирлинга. Уже сейчас на зарубежные рынки начало поступать новое холодильное оборудование с использованием машин данного цикла. Ярким примером перспективности холодильных машин Стирлинга является начало серийного производства с 2004 года таким гигантом, как южнокорейская корпорация «LG Electronic Inc» домашних холодильников на основе холодильных машин Стирлинга с линейным приводом.
Проблемы создания высокоэффективных машин Стирлинга.
Зарубежный опыт создания современных высокоэффективных машин Стирлинга показывает, что без точного математического моделирования рабочих процессов и оптимального конструирования основных узлов, доводка проектируемых машин превращается в многолетние изнурительные экспериментальные исследования. В настоящее время западные фирмы, ведущие разработки в данной области, в основном опираются на теоретические и экспериментальные исследования своих научных подразделений, технических университетов или создают технопарки по разработки отдельных типов машин Стирлинга. Далее, это сложность конструктивного исполнения отдельных узлов, проблемы в области уплотнений, регулирования мощности и т.д. Особенности конструктивного исполнения обуславливаются применяемыми рабочими телами. Так, например, гелий, обладает сверхтекучестью, что определяет повышенные требования к уплотняющим элементам рабочий поршней, штока вытеснителя и т.д. Формирование облика перспективных, предполагаемых к производству машин Стирлинга невозможно без разработки новых технических решений основных узлов. Третья проблема - это высокий уровень технологии производства. Данная проблема связана с необходимостью применения в машинах Стирлинга жаростойких сплавов и цветных металлов, их сварки и пайки. Отдельный вопрос изготовление регенератора и насадки для него, для обеспечения с одной стороны высокой теплоемкости, а другой стороны, низкого гидравлического сопротивления. Все это требует высокой квалификации рабочего персонала и современного технологического оборудования.
В заключении, говоря о проблемах создания машин Стирлинга, необходимо сделать два вывода:
- высокая наукоемкость данной области техники является основным сдерживающим фактором широкого распространения машин, работающих по циклу Стирлинга;
- успех в создании конкурентоспособных на мировом рынке машин Стирлинга может быть достигнут только как результат синтеза высокого уровня научных исследований, тщательной конструктивной проработки основных узлов машин Стирлинга и передовой технологии производства.
Анализ отечественных разработок в области машин Стирлинга.
Перспективность производства и широкого применения машин Стирлинга в различных областях отечественной экономики обусловлена наличием в России более чем 30-ти летнего технологического опыта, накопленного при производстве криогенных газовых машин Стирлинга. Фирмами-производителями холодильного оборудования с криогенными машинами Стирлинга являются ОАО «Машиностроительный завод «Арсенал», НПО «Гелиймаш» и др. Однако, необходимо отметить, что выпускаемые этими предприятиями КГМ Стирлинга, не являются отечественными разработками, а представляют собой копии криогенных машин, ранее выпускаемых голландскими фирмами "N.V. Philips Gloeilampenfabrieken" ("Филипс") и “Werkspoor”.
В России неоднократно предпринимались попытки создания отечественных двигателей и холодильных машин Стирлинга, однако они, из-за отсутствия адекватных методов расчета и трудностей финансового порядка, серьезного успеха не имели. Так, на АОЗТ «АРСМАШ» с 1991 по 1994 год проводились работы по исследованию перспективных холодильных установок для авторефрижераторной техники. Проведенный анализ показал, что в качестве наиболее перспективного холодильного агрегата может выступать только холодильная машина Стирлинга. В виду этого были созданы опытные образцы холодильных машин производительностью до 5 кВт, работающих в диапазоне от 285 К до 230 К, которые по эффективности и массогабаритным характеристикам соответствовали современным ПКХМ для авторефрижераторной техники. Была разработана проектно-сметная и конструкторская документация на ее серийное изготовление. Однако в связи с общим спадом в экономике и финансовыми трудностями заказчика работы по данному проекту были остановлены.
В 1996 году на ОАО “Машиностроительный завод “АРСЕНАЛ”, в рамках договора с ГП ГОКБ “Прожектор” были начаты работы по теме “Исследование и разработка электроагрегатов на базе многотопливных двигателей Стирлинга”. Указанная тема входила под шифром “Стирлинг” в комплексную НИР “Передвижка”, включенную постановлением Правительства РФ от 02.03.96 N 227-15 в государственный заказ. Из-за отсутствия реального финансирования из федерального бюджета данные работы не были завершены в полном объеме.
В 1997-1998 гг., на ОАО “МЗ”АРСЕНАЛ” был разработан пакет документов на заявку о включении в Федеральную программу реструктуризации и конверсии оборонных предприятий темы: “Разработка и создание производства экологически чистых двигателей с внешним подводом теплоты, рефрижераторов, тепловых насосов и анаэробных энергоустано-вок на основе цикла Стирлинга”. Проект не предусматривал дополнительных строительных работ, поскольку выпуск новой продукции планировалось осуществить за счет загрузки высвободившихся после конверсии производственных мощностей завода. При успешной реализации вышеуказанного проекта планировалось к 2004 го-ду наладить мелкосерийное производство двигателей и холодильных машин Стирлинга производительностью до 100 кВт. Однако, данные работы из-за отсутствия финансирования пока не реализованы.
В настоящее время сложилась достаточно парадоксальная ситуация, которая заключается в том, что Россия обладает многолетним опытом и технологией производства машин Стирлинга, но не имеет опыта собственных разработок, серийно выпускаемых машин Стирлинга. Данная ситуация обусловлена в основном тем обстоятельством, что в последние 15 лет в России из-за экономического кризиса сложилась крайне неблагоприятная инновационная атмосфера, во многих российских научных организациях, в которых ранее велись работы по тематике создания машин Стирлинга, например, МВТУ им. Баумана, ВНИИГТ, ОмПИ (ТУ), СПбГТУ (Политехнический университет), ЦНИДИ и др., исследования из-за финансовых трудностей были полностью прекращены. В то же время за рубежом именно за последние 15 лет были достигнуты наиболее существенные результаты в создании высокоэффективных машин Стирлинга.
«Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии».
Учитывая перспективность машин Стирлинга, специалистами ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг - технологии» в последние годы был проведен ряд теоретико - экспериментальных исследований, в результате которых была разработана новая методология проектирования и расчета машин данного цикла. Данная методология включает в себя несколько "ноу-хау", среди которых: уникальный метод двухуровневой многопараметрической оптимизации машин Стирлинга; структурный синтез машин Стирлинга на основе метода функцио-нально-эксергетического анализа сложных тепломеханических устройств; оптимальное конструирование на основе ТРИЗ (выделено КП) . Разработанная методология проектирования и расчета машин Стирлинга позволяет сократить сроки создания новых типов машин Стирлинга до 1,5-2 лет, с эффективностью, соответствующей лучшим мировым аналогам
На основании предложенных технических решений, специалистами ООО «Инновационно - исследовательский центр «Стирлинг - технологии» только за 1994-2003 году было подано более 150 заявок на предполагаемые изобретения. Особое внимание уделялось проработке отдельных узлов машин Стирлинга и их конструктивного исполнения, а также, созданию новых принципиальных схем установок различного функционального назначения. Практика показала, что оптимальное конструирование позволит в значительной степени сокра-тить суммарную удельную стоимость машин при их опытном изготовлении и серийном производстве. Предлагаемые технические решения, с учетом того, что машины Стирлинга менее дороги в эксплуатации, позволяют повысить их экономическую рентабельность по сравнению традиционными преобразователями энергии. Дальнейшее широкое распространение машин Стирлинга будет связано с развитием теории проектирования многоцилиндровых машин данного цикла, что позволит создавать двигатели и холодильные машины производительностью до 1000 кВт.
Когенерационные установоки с многотопливными двигателями Стирлинга.
Стирлинг-когенерация - новая технология для комбинированного производства электроэнергии и тепла, на основе двигателей Стирлинга, при которой энергия охлаждающей воды и отработанных газов используется для нужд теплоснабжения потребителей. Эффективность применения двигателя Стирлинга в когенерационных установках, по сравнению с ДВС, обусловлена особенностью его теплового баланса. Потери теплоты с отработанными газами и в охлаждающую воду для двигателя Стирлинга составляет, соответственно, 10% и 40%, что с учетом более высокого к.п.д. самого двигателя, позволяет создавать компактные и высокоэффективные когенерационные установки.
Когенерационная установка мощностью 9,5 кВт электрической энергии и 30 кВт тепловой энергии.
Преимущества использования когенерационных установок с двигателями Стирлинга на местном топливе в регионах РФ:
Независимость от конъюнктуры рынка нефти и природного газа.
---Возможность загрузки местных предприятий на производство оборудования для заготовки и переработки местного топлива.
---Отсутствие необходимости создания хранилищ для запасов углеводородного топлива и его транспортировки.
---Отсутствие необходимости прокладки и обслуживания электросетей при электрификации отдаленных районов.
---Значительное сокращение расходов региональных бюджетов на закупку привозного топлива.
---Значительное сокращение расходов компаний нефтегазового комплекса на закупку привозного топлива за счет использования в качестве моторного топлива попутного нефтяного газа.
1..Стоимость 1 кВт/ч производимой электроэнергии с помощью когенерационной установки будет составлять от 30 до 50 коп., что в 2-3 раза дешевле существующих тарифов. (выделено КП)
2..Примерно в 2 раза увеличивается ресурс преобразователя прямого цикла когенерационной установки, по сравнению с ДВС.
3..При сгорании топлива содержание СО в обработанных газах в 3 раза ниже и значительно ниже содержание NO и СH, что соответствует самым жестким мировым экологическим стандартам.
4..Срок окупаемости когенерационных установок 2,5 года.
Модернизация котельных агрегатов в мини - ТЭЦ на основе применения двигателя Стирлинга.
ООО "ИИЦ "Стирлинг-технологии" - компания, работающая в области создания высокоэффективных инноваций для теплоэнергетического комплекса РФ. Специалистами компании разработана новая, не имеющая в мире аналогов, технология перевода существующих котельных станций теплоснабжения в мини-ТЭЦ за счет двигателей Стирлинга.
Пример компоновки оборудования при модернизации котельного агрегата в мини - ТЭЦ на основе применения утилизационной установки с двигателем Стирлинга.
Без изменения существующей конструкции котельной станции теплоснабжения, установка в дымоходе котельного агрегата нагревателя двигателя Стирлинга позволяет осуществлять преобразование теплоты уходящих дымовых газов в полезную механическую и электрическую энергию. Утилизация теплоты уходящих газов с помощью двигателя Стирлинга является наиболее перспективным направлением повышения экономичности котельного агрегата. Предлагаемая технология может быть эффективно использована при модернизации котельных различной мощности. Полученная электрическая энергия может быть использована как для покрытия потребностей в электроэнергии на собственные нужды котельной, так и выработки электроэнергии во внешнюю электросеть. Экономическая эффективность использования утилизационных установок с двигателями Стирлинга при модернизации котельных станций теплоснабжения:
1.Стоимость 1 кВтч производимой электроэнергии с помощью утилизационной установки с двигателем Стирлинга в 8 раза дешевле существующих тарифов центрального электроснабжения.
2.Срок окупаемости инвестиций при модернизации котельных в мини-ТЭЦ на основе применения утилизационных установок с двигателем Стирлинга не превышает 3 лет, в зависимости от исходных технико-экономических данных.
Использование биомассы при применении двигателя Стирлинга.
Пример компоновки твёрдотопливной установки с двигателем Стирлинга ООО "ИИЦ "Стирлинг-технологии".
Германская фирма "SOLO Stirling Engine" занимается разработкой систем Стирлинг - Когенерации с непосредственным использованием твердого горючего, преимущественно древесины, но сталкивается с некоторыми трудностями, как например удаление шлака из камеры сгорания или предотвращение спекания частиц топлива. Исследования при помощи Газогенератора летом 1998 показали, что произведенный там древесный газ, улучшает процесс сжигания твёрдого топлива и смол. Комбинация Газогенератора с Стирлинг - Когенерацией является высоко эффективным устройством, так как горячий газ получаемый из Газогенератора не нуждается в охлаждении для применения в Стирлинг - Когенерации.
Специалисты ООО «Инновационно - исследовательский центр «Стирлинг - технологии» в России, тоже активно занимаются разработкой аналогичных систем, например проектирование энергоснабжения коттеджного городка с использованием двигателей Стирлинга, работающих на генераторном газе из торфа. В тоже время ведуться разработки твёрдотопливных установок с двигателем Стирлинга, работающих на древесной щепе, угле и угольной пыли, торфе, сланцах, отходах сельского хозяйства и навозе, бытовом мусоре и т.д..
Солнечные энергосистемы.
Солнечная версия двигателя "Стирлинг 161", Германской фирмы SOLO системы (EURODISH).
Солнечная версия двигателя Стирлинг 161 используется между тем несколькими производителями в различных исполнениях. На испанском солнечном плато de Алмерию с 1997 работают 6 систем. В рамках поддержанного ЕС проекта в сотрудничестве с Schlaich Bergermann und Partner und MERO Raumsysteme GmbH, кроме всего прочего, теперь строится новое поколение системы Dish Стирлинг 10 кВт. Целью проекта является сокращение стоимостей капиталовложений до 5.000 евро / киловатт. При этом снова вступает в действие Стирлинг 161 при модификациях в Receiver, Cavity и корпусе. Характеристики нового Dish/Стирлинга системы (EURODISH): номинальная производительность СОЛО "Стирлинг 161" 10,0кВт брутто, диаметр солнечного зеркала 8,5м. В Alanya, центр исследования солнечной энергии Турции создал Kombassan холдинг - компанию, которая строит на подготовительных работах Cummins. Работы очень интенсивны и показывают хорошие результаты.
ПОСЛЕСЛОВИЕ КАФЕДРЫ ПРОГНОЗОВ
Вопросы, которые у меня возникают - естественны для избранного контекста обзора истории автомобилестроения.
Может ли повториться это техническое решение в условиях современных реалий экономического кризиса, когда все стараются «экономить»?
Рассмотрим варианты:
1. Мотор Стирлинга как единственный двигатель для автомобиля. Развитие сценария - «всеядный автомобиль».
Мой ответ - нет. В мире достаточно пока что и нефти и газа. В производстве и обслуживании бензиновых- дизельных ДВС занято столько людей и капиталов, что говорить о феномене «подрыва» я не вижу серьёзных оснований.
2.Может ли быть построен гибрид по схеме «ЛЮБОЕ топливо- Мотор - Стирлинга- электромотор»?
Очень похожий сценарий пытались реализовать в 1965 году в авиации.
Самолёт ИЛ -18П сам по себе - загадка. У меня есть предположение, что это был некий розыгрыш или специально созданная дезинформация, утечка которой может отвлечь денежные ресурсы конкурентов в неэффективное направление.
Такие примеры были в истории техники. Например, в начале 70ых годов, было принято решение развивать в СССР вычислительную технику по пути больших виртуальных машин серии ЕС. Я до сих пор помню великолепный афоризм своего преподавателя по программированию на Ассемблере: «Машины серии ЕС есть наилучший пример научно-технической диверсии США против СССР».
Это был тупиковый путь развития вычислительной техники, который средствами западных СМИ и умелыми действиями спецслужб стал для нас магистральным и добавил нашего отставания в развитии производства компьютеров. Огромные деньги были истрачены «не туда».
Может быть ситуация с паровым самолётом есть что-то похожее.
Ответ КП на вариант 2: «едва ли». Обоснования те же, что и в варианте 1.
3. Может ли быть построен гибрид по схеме «ДВС + рекуперация тепловой энергии с помощью мотора Стирлинга»? У бензинового- дизельного ДВС 70-75%
энергии топлива уходит в тепло и трение.
Сразу возникает развилка, подвариант А : получить на борту два вида механической энергии: от ДВС и от Стирлинга? подвариант Б: Получить на борту механику от ДВС и электроэнергию для электромотора.
Если вариант Б укладывается в общую концепцию проектирования многих современных гибридных автомобилей, где процессы рекуперации считают, целеполагающими, то варианту А большого количества примеров устойчивого успеха привести не могу. 
В этих дирижаблях 1958ого и 1966 года использовались ДВА вида подъёмной силы: архимедова и от эффекта Магнуса. Как мы видим, эти технические решения появились после заката эры воздухоплавания. И мы ничего не знаем об их истинных свойствах. Только факты о проведённых НИОКР.
Можно, конечно говорить о том, что Парусно- винтовое судно или пароход с гребными колёсами и парусами одновременно являются такими примерами, но они всё же не вполне корректны, т.к. энергия ветра в этих этим системах всё-таки находится в Надсистеме и может использоваться независимо, а вариант А, всё-таки подразумевает утилизацию тепловой энергии, которая создаётся внутри ТС в процессе эксплуатации.
Говоря о моторах Стирлинга можно надеяться на то, что они могут получить импульс развития от кризиса как всеядные маленькие электростанции, но едва ли они «проникнут» в автомобиль. Окклюзия водорода и гелия, проникновение этих веществ сквозь металлические стенки, растворение их в металле - явление далеко не академическое, а вполне техническое. Огромные рабочие давления в сочетании с транспортной вибрацией тоже заставляет предполагать большие проблемы с обходом противоречия: «для увеличения долговечности необходимы толстые стенки, но это уменьшает теплопередающие способности стенок и увеличивает вес мотора».
Мы совсем не обсудили другое свойство этих удивительных машин. Возможность использовать их и как тепловые насосы. Это яркие проявления принципа инверсии, которым изобилует история всех машин, где есть нагревание, но об этом можно говорить часами. Сделаем как-нибудь отдельный выпуск об этом.
Важным новым источником механической энергии для привода автомобиля является двигатель Стирлинга. Он почти неизвестен, существуют только его прототипы , поэтому можно дать лишь беглое описание его принципа действия и конструкции. В первоначальном виде он существовал как тепловая расширительная машина, в цилиндре которой рабочее тело, например, воздух, перед сжатием охлаждался, а перед расширением - нагревался. Схема и принцип действия такого двигателя показаны на рис. 1.
В верхней части цилиндра 1 имеется водяная охлаждающая рубашка 2 , а дно цилиндра постоянно нагревается пламенем. В цилиндре размещен рабочий поршень 3 уплотненный поршневыми кольцами и соединенный шатуном с коленчатым валом (на рисунке коленчатый вал не показан). Между дном цилиндра и рабочим поршнем находится поршень-вытеснитель 4 , который перемещается в цилиндре с большим зазором. Заключенный в цилиндре воздух через этот зазор перекачивается вытеснителем 4 либо к днищу рабочего поршня, либо к нагреваемому дну цилиндра. Вытеснитель приводится в движение штоком 5 , проходящим через уплотнение в поршне, и приводимым эксцентриковым механизмом, который вращается с углом запаздывания около 90° по сравнению с механизмом привода рабочего поршня.
В положении а поршень находится в НМТ (нижняя мертвая точка) и охлаждаемый стенками цилиндра воздух заключен между ним и вытеснителем. В следующей фазе б вытеснитель движется вверх, а поршень остается в НМТ. Воздух между ними выталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром к дну цилиндра и при этом охлаждается стенками цилиндра. Фаза в является рабочей, в течение которой воздух нагревается горячим дном цилиндра, расширяется и выталкивает оба поршня вверх к ВМТ (верхняя мертвая точка).
После совершения рабочего хода вытеснитель возвращается в нижнее положение к дну цилиндра и выталкивает воздух через зазор между стенками цилиндра в камеру под поршнем, воздух при этом охлаждается стенками. В положении г холодный воздух подготовлен к сжатию, и рабочий поршень движется от ВМТ к НМТ. Поскольку работа, затрачиваемая на сжатие холодного воздуха, меньше работы, совершаемой при расширении горячего воздуха, то возникает полезная работа. Аккумулятором энергии, необходимой для сжатия воздуха, служит маховик.
В описанном исполнении двигатель Стирлинга имел низший КПД, так как теплоту, содержащуюся в воздухе после совершения рабочего хода, необходимо было отводить в охлаждающую жидкость через стенки цилиндра. Воздух в течение одного хода поршня не успевал охлаждаться в достаточной степени, и требовалось увеличить время охлаждения, вследствие чего частота вращения двигателя также была небольшой. , который зависит, как говорилось ранее, от разницы максимальной и минимальной температур рабочего цикла, был также небольшим. Теплота отработавшего воздуха отводилась в охлаждающую воду и полностью терялась.
Двигатель Стирлинга был значительно усовершенствован фирмой «Филипс» («Philips» – Нидерланды). Прежде всего, был применен внешний регенератор теплоты, через который осуществлялась перекачка воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю под действием вытеснителя. Последовательно к регенератору во внешнем контуре был подключен радиатор. Регенератор аккумулирует теплоту воздуха, поступающего после расширения в холодную камеру. При течении воздуха в обратном направлении аккумулятор вновь отдает ему теплоту. Тем самым возрастает разница максимальной и минимальной температур цикла и теплоту необходимо отводить системой охлаждения. Радиатор, размещенный за регенератором, отводит только часть этой теплоты, остальная сохраняется в аккумуляторе и используется вновь. Вследствие этого не только улучшается КПД двигателя, но и увеличивается его максимальная частота вращения, что влияет на мощность и удельную массу двигателя. Теплота отработавших газов подогревателя используется для повышения температуры свежего воздуха, подаваемого в его камеру сгорания. Описанная конструктивная схема двигателя показана на рис. 2.
2 является рабочим, он передает давление воздуха на кривошипно-шатунный механизм, а вытеснитель 1 предназначен для перемещения воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю. В положении а воздух из пространства между двумя поршнями поступает через радиатор 3 и регенератор 4 в трубки подогревателя 6 и затем в верхнюю часть цилиндра. Трубки подогревателя размещены в камере сгорания, куда свежий воздух для сгорания подается по каналам 7 и затем, проходя через теплообменник, поступает в зону распылителя форсунки 5 ; отработавшие газы из подогревателя отводятся через выпускной трубопровод 8 .В положении а воздух сжат и при движении в верхнюю часть цилиндра нагревается сначала в регенераторе, а затем в подогревателе. В положении б весь воздух вытеснен из пространства между двумя поршнями и выполняет работу, перемещая оба поршня в нижнее положение. В положении в после совершения работы рабочий поршень остается в нижнем положении, а вытеснитель 1 начинает выталкивать воздух из верхней части цилиндра в пространство между поршнями через регенератор, в котором воздух отдает значительную часть своей теплоты, и радиатор, где воздух охлаждается еще глубже. В последней фазе цикла г воздух охлажден и вытеснен из верхней части цилиндра в пространство между поршнями, где происходит его сжатие.
Сжатие холодного воздуха, поступление его через регенератор и радиатор в верхнюю часть цилиндра, последующее расширение и охлаждение воздуха представляют рабочий цикл. В цилиндре сохраняется постоянная масса воздуха, поэтому цилиндр работает без выхлопа. Для подогрева можно использовать любой источник тепла. В рассмотренной схеме применен котел на жидком топливе; содержание вредных веществ зависит от полноты сгорания топлива в камере сгорания котла. Поскольку при этом создается режим непрерывного сгорания при относительно низкой температуре и большом избытке воздуха, можно достичь полного сгорания и небольшого .
Преимущество двигателя Стирлинга заключается также в том, что он может работать не только на разнообразных топливах, но дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве как на подводных лодках, так и на спутниках. При использовании теплового аккумулятора с LiF теплота подводится к двигателю по теплопроводу, как это показано на рис. 3.
В нижней части рис. 2 показан ромбический механизм привода, который управляет движением обоих поршней. Для привода используются два коленчатых вала, соединенных парой шестерен и вращающихся в противоположных направлениях. Концы штока вытеснителя 1 и пустотелого штока поршня 2 через отдельные шатуны соединены с обоими коленчатыми валами. Если кривошипы обоих коленчатых валов находятся в верхнем положении и движутся из положения а в положение б , то шатуны рабочего поршня 2 находятся вблизи ВМТ и он немного перемещается около ВМТ. Шатуны вытеснителя, перемещающегося в этой фазе цикла, движутся вниз и поршень также движется с наибольшей скоростью из положения а в положение б .
Противоположное направление вращения двух коленчатых валов позволяет разместить на них противовесы, необходимые для уравновешивания сил инерции первого порядка и их моментов от возвратно-поступательно движущихся масс, которые существуют у одноцилиндрового и рядных двигателей.
Ромбический механизм имеет еще и то преимущество, что шатуны симметрично передают усилия от штоков поршней на коленчатые валы, а в подшипниках и уплотнениях поршней не возникают боковые силы. Последнее очень важно, так как для работы двигателя с хорошим КПД необходимо высокое рабочее давление.
У обычных кривошипно-шатунных механизмов при высоком давлении на поршень и больших углах отклонения шатуна возникают большие боковые силы, действующие на поршень и являющиеся причиной больших потерь на трение и большого износа. При применении крейцкопфа или же ромбического механизма это отрицательное явление устраняется и можно достичь хорошего уплотнения поршней.
Чтобы штоки не передавали большие усилия на коренные и шатунные подшипники коленчатых валов, под рабочим поршнем поддерживается противодавление, равное среднему рабочему давлению в цилиндре, оно составляет около 20 МПа.
Значительные трудности возникают при регулировании мощности двигателя Стирлинга. Изменение мощности, происходящее в результате изменения количества подаваемого в подогреватель топлива, незначительно. Более заметного результата можно добиться при изменении давления или количества рабочего тела. Этот способ регулирования мощности используется в автомобильном двигателе Стирлинга. Для уменьшения мощности часть газа из цилиндров перепускается в резервуар низкого давления; для увеличения мощности газ подается в цилиндры из резервуара высокого давления, куда он предварительно перекачивается специальным компрессором из резервуара низкого давления. У двигателей с поршнем двойного действия для снижения мощности газ перепускается из верхней части поршня в нижнюю через специальный канал. Переход от полной мощности к холостому ходу длится 0,2 с; обратный процесс занимает около 0,6 с.
Чтобы потери на трение газа при прохождении его через узкие каналы регенератора и радиатора были небольшими, применяют гелий, а также пытаются использовать водород. Для уменьшения размеров и массы четыре цилиндра с поршнями двойного действия в двигателе второго поколения размещаются как показано на рис. 9. Вместо коленчатого вала применен привод с помощью наклонных шайб. Наличие высокого давления газов по обе стороны поршня обеспечивает передачу на приводную шайбу только небольшой разницы давлений. Поскольку в двигателе Стирлинга вся отводимая теплота передается в охлаждающую жидкость, то радиатор этого двигателя должен быть в 2 раза больше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания.
В качестве примера рассмотрим два автомобильных двигателя Стирлинга. Четырехцилиндровый двигатель первого поколения с ромбическим механизмом, изображенный на рис. 10, имеет диаметр цилиндра 77,5 мм, ход поршня 49,8 мм (рабочий объем 940 см 3), развивает мощность 147 кВт при 3000 мин -1 и среднем давлении в цилиндре порядка 22 МПа. Температура головки цилиндра поддерживается около 700 °C, а охлаждающей жидкости - на уровне 60 °C. Масса сухого двигателя составляет 760 кг. Холодный пуск и прогрев двигателя до достижения температуры головки цилиндра 700 °C длятся около 20 с. При температуре воды 55 °C индикаторный КПД двигателя на испытательном стенде достиг 35 %. Удельная мощность 156 кВт/дм 3 , а удельная масса на единицу мощности 5,2 кг/кВт.
Схематический разрез двигателя Стирлинга второго поколения модели «Филипс 4-215 DA», предназначенного для легкового автомобиля, изображен на рис. 9. Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель, и его мощность равна 127 кВт. Четыре цилиндра с поршнями двойного действия расположены вокруг оси приводного вала с наклонной шайбой. Котел подогревателя, общий для всех четырех цилиндров, имеет одну форсунку. На автомобиле «Форд Торино» (США) расход топлива с этим двигателем был на 25 % ниже, чем с бензиновым V-образным 8-цилиндровым двигателем. Содержание NOx в отработавших газах системы подогрева благодаря применению их рециркуляции было намного меньше установленной нормы.
Диаметр цилиндра двигателя «Филипс 4-215 DA» - 73 мм, ход поршня 52 мм. Мощность двигателя 127 кВт при частоте вращения 4000 мин -1 . Температура в подогревателе (температура головок цилиндров) равна 700 °C, а охлаждающей жидкости - 64 °C.
Шведская фирма «Юнайтед Стерлинг» создала свой двигатель Стирлинга таким образом, чтобы можно было в наибольшей степени использовать детали, серийно выпускаемые автомобильной промышленностью. Используются обычный коленчатый вал и шатун, который совместно с крейцкопфом преобразует во вращательное движение вала поступательное движение поршня двойного действия. Разрез этого четырехцилиндрового V-образного двигателя изображен на рис. 11. Ряды цилиндров расположены под небольшим углом, головки цилиндров образуют общую группу, подогреваемую одной горелкой.
Предполагаемая удельная масса этого двигателя равна 2,4 кг/кВт, что можно сравнить с показателями очень хорошего малоразмерного высокооборотного дизеля. Удельная масса двигателей Стирлинга уменьшилась с 6,1–7,3 кг/кВт до 4,3 кг/кВт и постоянно снижается.
Производство двигателя Стирлинга требует технологии, совершенно отличной от технологии производства двигателей внутреннего сгорания, что будет тормозить его внедрение в производство. Однако разработки таких двигателей продолжаются, поскольку традиционные бензиновый и дизельный двигатели не будут отвечать перспективным требованиям необходимой чистоты отработавших газов, а созданные двигатели Стирлинга дают основание надеяться, что эту проблему удастся решить. Так как изменение давления газов в цилиндре двигателя Стирлинга носит плавный характер, то он работает стабильно и тихо, напоминая паровую машину. Однако большое количество отводимой теплоты требует новых решений в области систем охлаждения.
Большой прогресс в двигателях Стирлинга достигнут при создании двигателя «Филипс 4-215 DA». Двигатель предназначен для применения в легковых автомобилях и занимает в них столько же места, сколько и обычный бензиновый V-образный двигатель равной мощности. Масса двигателя «Филипс 4-215 DA» равна 448 кг и при максимальной мощности 127 кВт его удельная масса составляет 3,5 кг/кВт. Индикаторный КПД этого двигав теля при использовании е качестве рабочего тела водорода под давлением 20 МПа равен 35 %.
Холодный пуск двигателя длится 15 с, расход топлива автомобилем в условиях городского движения на 25 % меньше, чем в случае обычного бензинового двигателя. Регулирование мощности двигателя производится изменением количества и давления рабочего тела.
Плотность водорода в 14 раз ниже плотности воздуха, а его теплоемкость также в 14 раз выше теплоемкости воздуха. Это положительно сказывается на гидравлических потерях, особенно в регенераторе, и в целом ведет к росту КПД двигателя (см. рис. 4).
Двигатель Стирлинга, принцип работы которого качественно отличается от привычного для всех ДВС, когда-то составлял последнему достойную конкуренцию. Однако на какое-то время о нем забыли. Как этот мотор используется сегодня, в чем заключается принцип его действия (в статье можно найти также чертежи двигателя Стирлинга, наглядно демонстрирующие его работу), и каковы перспективы применения в будущем, читайте ниже.
В 1816 году в Шотландии Робертом Стирлингом была запатентована названная сегодня в честь своего изобретателя. Первые двигатели горячего воздуха были изобретены еще до него. Но Стирлинг добавил в устройство очиститель, который в технической литературе называется регенератором, или теплообменником. Благодаря ему производительность мотора возрастала при удерживании агрегата в тепле.
Двигатель признали наиболее прочной паровой машиной из имеющихся на тот момент, так как он никогда не взрывался. До него на других моторах такая проблема возникала часто. Несмотря на быстрый успех, в начале двадцатого столетия от его развития отказались, так как он стал менее экономичным, по сравнению с появившимися тогда другими двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями. Однако Стирлинг еще продолжал применяться в некоторых производствах.
Принцип работы всех тепловых моторов заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии необходимы большие механические усилия, чем при сжатии холодного. Для наглядной демонстрации этого можно провести опыт с двумя кастрюлями, наполненными холодной и горячей водой, а также бутылкой. Последнюю опускают в холодную воду, затыкают пробкой, затем переносят в горячую. При этом газ в бутылке начнет выполнять механическую работу и вытолкнет пробку. Первый двигатель внешнего сгорания основывался на этом процессе полностью. Правда, позже изобретатель понял, что часть тепла можно применять для подогрева. Таким образом, производительность значительно возросла. Но даже это не помогло двигателю стать распространенным.
Позже Эриксон, инженер из Швеции, усовершенствовал конструкцию, предложив охлаждать и нагревать газ при постоянном давлении вместо объема. В результате немало экземпляров стало использоваться для работы в шахтах, на судах и в типографиях. Но для экипажей они оказались слишком тяжелыми.
Подобные моторы бывают следующих типов:
Последний вид не стали развивать из-за небольшой надежности и остальных не самых высоких показателей по сравнению с появившимися другими типами агрегатов. Однако в 1938 году компания Philips возобновила работу. Двигатели стали служить для приводов генераторов в неэлектрофицированных районах. В 1945 году инженеры компании нашли им обратное применение: если вал раскручивать электромотором, то охлаждение головки цилиндров доходит до минус ста девяносто градусов по Цельсию. Тогда решено было применять в холодильных установках усовершенствованный двигатель Стирлинга.
Действие мотора заключается в работе по термодинамическим циклам, в которых при разной температуре происходит сжатие и расширение. При этом регулирование потоком рабочего тела реализуется за счет изменяющегося объема (или давления - в зависимости от модели). Таков принцип работы большинства подобных машин, которые могут иметь разные функции и конструктивные схемы. Двигатели могут быть поршневыми или роторными. Машины с их установками работают в качестве тепловых насосов, холодильников, генераторов давления и так далее.
Помимо этого, есть моторы с открытым циклом, где регулирование потоком реализуется посредством клапанов. Именно их называют двигателями Эриксона, кроме общего названия имени Стирлинга. В ДВС полезная работа осуществляется после предварительного сжатия воздуха, впрыска топлива, нагрева полученной смеси вперемешку со сгоранием и расширения.
Двигатель Стирлинга принцип работы имеет такой же: при низкой температуре происходит сжатие, а при высокой - расширение. Но по-разному осуществляется нагрев: тепло подводится через стенку цилиндра извне. Поэтому он и получил название двигателя внешнего сгорания. Стирлинг применял периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Последний перемещает газ с одной полости цилиндра в другую. С одной стороны, температура постоянно низкая, а с другой - высокая. При передвижении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость, а вниз - возвращается в горячую. Сначала газ отдает много тепла холодильнику, а затем от нагревателя получает столько же, сколько отдал. Между нагревателем и холодильником размещается регенератор - полость, наполненная материалом, которому газ отдает тепло. При обратном течении регенератор возвращает его.
Система вытеснителя соединена с рабочим поршнем, сжимающим газ в холоде и позволяющим расширяться в тепле. За счет сжатия в более низкой температуре происходит полезная работа. Вся система проходит четыре цикла при прерывистых движениях. Кривошипно-шатунный механизм при этом обеспечивает непрерывность. Поэтому резких границ между стадиями цикла не наблюдается, а Стирлинга не уменьшается.
Учитывая все вышесказанное, напрашивается вывод, что этот двигатель является поршневой машиной с внешним подводом тепла, где рабочее тело не покидает замкнутое пространство и не заменяется. Чертежи двигателя Стирлинга хорошо иллюстрируют устройство и принцип его действия.
Солнце, электричество, ядерная энергия или любой другой источник тепла может подводить энергию в двигатель Стирлинга. Принцип работы его тела заключается в применении гелия, водорода или воздуха. Идеальный цикл обладает термическим максимально возможным КПД, равным от тридцати до сорока процентов. Но с эффективным регенератором он сможет работать и с более высоким КПД. Регенерацию, нагрев и охлаждение обеспечивают встроенные теплообменники, работающие без масел. Следует отметить, что смазки двигателю нужно очень мало. Среднее давление в цилиндре составляет обычно от 10 до 20 МПа. Поэтому здесь требуется отличная уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.
В большинстве работающих сегодня двигателей подобного рода используется жидкое топливо. При этом непрерывное давление легко контролировать, что способствует снижению уровня выбросов. Отсутствие клапанов обеспечивает бесшумную работу. Мощность с массой сопоставимы моторам с турбонаддувом, а удельная мощность, получаемая на выходе, равна показателю дизельного агрегата. Скорость и крутящий момент не зависят друг от друга.
Затраты на производство двигателя гораздо выше, чем на ДВС. Но при эксплуатации получается обратный показатель.
Любая модель двигателя Стирлинга имеет много плюсов:
В настоящее время двигатель Стирлинга с генератором используют во многих областях. Это универсальный источник электрической энергии в холодильниках, насосах, на подводных лодках и солнечных электрических станциях. Именно благодаря применению различного вида топлива имеется возможность его широкого использования.
Эти двигатели снова стали развиваться благодаря компании Philips. В середине двадцатого века с ней заключила договор General Motors. Она вела разработки для применения Стирлингов в космических и подводных устройствах, на судах и автомобилях. Вслед за ними другая компания из Швеции, United Stirling, стала заниматься их развитием, включая и возможное использование на
Сегодня линейный двигатель Стирлинга применяется на установках подводных, космических и солнечных аппаратов. Большой интерес к нему вызван из-за актуальности вопросов ухудшения экологической обстановки, а также борьбы с шумом. В Канаде и США, Германии и Франции, а также Японии идут активные поиски по развитию и совершенствованию его использования.
Явные преимущества, которые имеет поршневой и Стирлинга, заключающиеся в большом ресурсе работы, применении разного топлива, бесшумности и малой токсичности, делают его очень перспективным на фоне мотора внутреннего сгорания. Однако с учетом того, что ДВС на протяжении всего времени совершенствовали, он не может быть легко смещен. Так или иначе, именно такой двигатель сегодня занимает лидирующие позиции, и сдавать их в ближайшее время не намерен.
Экология потребления.Наука и техника:Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой и эффективностью.
Менее ста лет назад двигатели внутреннего сгорания пытались завоевать свое законное место в конкурентной борьбе среди прочих имеющихся машин и движущихся механизмов. При этом в те времена превосходство бензинового двигателя не являлось столь очевидным. Существующие машины на паровых двигателях отличались бесшумностью, великолепными для того времени характеристиками мощности, простотой обслуживания, возможностью использования различного вида топлива. В дальнейшей борьбе за рынок двигатели внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, надежности и простоте взяли верх.
Дальнейшая гонка за совершенствования агрегатов и движущих механизмов, в которую в середине 20 века вступили газовые турбины и роторные разновидности двигателей, привела к тому, что несмотря на верховенство бензинового двигателя были предприняты попытки ввести на «игровое поле» совершенно новый вид двигателей - тепловой, впервые изобретенный в далеком 1861 году шотландским священником по имени Роберт Стирлинг. Двигатель получил название своего создателя.
Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.
При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.
Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.
Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.
Все двигатели Стирлинга работают по принципу цикла Стирлинга, включающего в себя четыре основные фазы и две промежуточные. Основными являются нагрев, расширение, охлаждение и сжатие. В качестве стадии перехода рассматриваются переход к генератору холода и переход к нагревательному элементу. Полезная работа, совершаемая двигателем, строится исключительно на разнице температур нагревающей и охлаждающей частей.
Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:
Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.
Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.
Настольная электростанция Стирлинга, купить которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:
Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:
Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию.
Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стирлинга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелии или водород. опубликовано
