Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.
Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно . Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники . К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).
Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа
Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.
Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.
Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.
Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.
В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).
Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга
На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.
Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.
Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.
В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).
Рисунок 3 - График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.
Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.
Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).
Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной
Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?
Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.
Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.
Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.
Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.
Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.
В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору .
Рисунок 6 – Схема импульсной турбины
Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.
А так турбина выглядит у них в реальности:
Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины
Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.
Что ж, будем продолжать пристально следить за развитием термоакустических двигателей.
Список использованных источников
М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.
Многим интересен принцип работы двигателя Стирлинга, и не только из праздного любопытства, но и потому, что если не понять основу его действия, то очень трудно изготовить работающую модель. В данной публикации подробно и насколько возможно, лаконично, дан ответ на этот вопрос. А наглядно все представлено в видеоуроке со всеми схемами.
В этом китайском магазине можно найти отличный генератор.
Рассмотрим сначала
Сам двигатель состоит из цилиндра, в котором движется вытеснитель и из второго цилиндра, в котором ходит рабочий поршень. Боковые стенки большого цилиндра не проводят тепло. Верхняя часть холодная, нижняя – горячая. Когда вытеснитель опускается вниз, перекрывая горячую пластину, воздух резко охлаждается и сжимается, втягивая рабочий поршень (зеленого цвета на видео).
При движении вытеснителя вверх, он перекрывает холодную пластину, воздух от нижней пластины резко нагревается, расширяется (от нагрева) и вытесняет рабочий зеленый поршень вверх.
Принцип действия высокотемпературного мотора Стирлинга
Левая и правая части цилиндра не касаются друг друга. Между ними стоит теплоизолятор. Когда вытеснитель находится в левой стороне, он вытесняет весь горячий воздух вправо, воздух остывает, всасывая рабочий поршень. Когда же вытеснитель уходит вправо, он выгоняет весь воздух в горячую камеру, воздух нагревается, расширяется и вытесняет рабочий поршень вправо. Рабочий поршень и вытеснитель связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов. Далее цикл повторяется.
Чтобы окончательно понять принцип действия мотора Стирлинга, нужно собрать его работающую конструкцию и в процессе доводки совершенствовать его и тестировать при разных конфигурациях.
Для наиболее простого понимания законов, по которым работает двигатель, достаточно сделать так:
– сделать цилиндр с вытеснителем;
– вместо рабочего поршня установить резиновый воздушный шарик;
– маховик пока не ставить;
– нагреть нижнюю часть устройства, остудить верхнюю и начать изменять положение вытеснителя;
– если попробовать поднять вытеснитель вверх – шарик резко надуется;
– если опустить вытеснитель вниз – шарик сдуется.
Таким образом эти простые действия наглядно покажут, как все происходит в механизме двигателя.
– Далее заменим воздушный шарик на поршень;
– поршень должен свободно двигаться, но следует настроить все так, чтобы он не пропускал воздух;
– смазать поршень силиконовой смазкой;
– проделать те же действия, что ранее были выполнены с шариком, но уже с поршнем;
– понаблюдать ход поршня, зафиксировать в записях в рабочем блокноте для того, чтобы подсчитать ход (выгиб) коленвала;
– изготовить маховик, шатун, коленвал и всё, мотор Стирлинга готов!
– окончательно протестировать готовый аппарат.
Важные моменты, если вы делаете сами движок
1. Стенки цилиндра, где ходит вытеснитель, должны быть сделаны так, чтобы не проводить тепло.
2. Один край цилиндра – холодный, другой- горячий. Чем больше разница температур – тем выше эффективность работы.
3. Между стенками цилиндра и вытеснителем должен быть зазор (3 мм достаточно), чтобы было куда воздуху просачиваться с холодной камеры в горячую.
4. Не должно быть утечек воздуха (свести их к минимуму). Это одно из основных причин, которые не дают двигателю работать.
5. Убрать все трение по максимуму. Используйте силиконовую смазку – она дает очень хороший результат.
Удачи в техническом творчестве!
В о том, как приспособить для этого движка генератор тока. А тут еще одна модель, которую можно собрать дома.
Как работают двигатели Стирлинга?
В течение почти 200 лет термические двигатели, известные по имени их изобретателя, были известны в как двигатели Стирлинга. Их изобретатель работал над построением наиболее эффективного или оптимального рабочего теплового двигателя. Стирлинг подошел к проблеме довольно научным образом. То есть, двигатель (его теоретическая циркуляция) был проанализирован и проверен вычислительно до того, как был построен прототип. Все в теории выглядело очень многообещающим. В принципе, до сих пор предполагалось, что они должны быть одним из наиболее эффективных тепловых двигателей. Так почему бы нам не путешествовать с автомобилями, использующими Стирлинг, несмотря на их многочисленные преимущества?
Рисунок двигателя Стирлинга из оригинального патента от 1816 года. Источник: Wikimedia Commons , .
Чтобы получить полезную мощность от поршневого двигателя, он должен развивать достаточно высокий крутящий момент или достигать высокой скорости вращения. Двигатели Стирлинга не достигают высоких скоростей вращения, поэтому давайте рассмотрим момент. В основном, это будет зависеть от силы, действующей на поршень, а это, в свою очередь, от давления рабочего тела в рабочем ходу и поверхности поршня, которое работает. Эти упрощенные рассуждения помогут нам понять структурные проблемы двигателей Стирлинга. Для того, чтобы двигатель был больше, чем модель на столе, он должен быть огромным – иметь большой диаметр рабочего поршня, или поршень должен находиться под высоким давлением во время рабочего хода.
Типичная «настольная» модель двигателя Стирлинга с рубежа 20 и 21 веков. Диаметр маховика: около 30 мм. Он должен быть включен в группу так называемых «Гаджеты».
История двигателя Стирлинга в 19 веке
В начале 19-го века двигатели в основном использовались для привода машин (например, насосов в шахтах, приводов центральных машин на заводах), а двигатели могли быть огромными. На повестке дня были указаны рабочие цилиндры диаметром более 0,5-1 м. Несмотря на это, паровые двигатели Уатта выиграли конкурс на двигатели Стирлинга. Правда, двигатели Стирлинга были проще в дизайне и обработке, но паровые двигатели, включая всю систему (котельную) и все их недостатки, однако, были более эффективными (читай: более дешевый в эксплуатации) и обеспечили большую мощность. Даже в мобильных системах, таких как корабли и поезда (в Англии и Шотландии в середине 19 века сеть железных дорог уже была разработана), паровые двигатели были намного лучше.
Промышленный двигатель Стирлинга примерно с 1860 года. Представленный двигатель, произведенный Эрикссоном, реализовал модифицированный цикл Стирлинга, названный в честь его создателя Эрикссоном . Источник: Wikimedia Commons , Vasárnapi Ujság, 1861/8 .
Конечно, двигатели Стирлинга использовались здесь и там, но они не доминировали на рынке. Более того, установленные двигатели Стирлинга часто заменялись паровыми двигателями, а те, которые остались, уже считались раритетами и нишевыми приложениями. В Европе, возможно, самыми известными двигателями Стирлинга с рубежа XIX и XX веков были те, которые использовались в… аквариумных насосах. Одним из наиболее известных производителей таких двигателей в этот период стала компания Louis Heinrici .
Семейство двигателей Стирлинга от компании Louis Heinrici. Иллюстрация из каталога компании с 1914 года. Источник: Wikimedia Commons ,
Но вернемся к теме. В конце 19-го века появились двигатели внутреннего сгорания, сначала с газом, а затем с жидким топливом. Кроме того, в автомобильных приводах появились также электродвигатели. Теоретически двигатели Стирлинга должны быть лучше всех (независимо от того, что это означает), поэтому все время мир науки и техники периодически интересовался ими. Поскольку строительство огромных двигателей Стирлинга в 19 веке утратило свой смысл, предпринимались попытки построить небольшие двигатели, но с высоким давлением рабочего тела, так что создаваемые двигательные системы были бы конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания. Пик работы на таких двигателях произошел в 1950-х и 1960-х годах. Конечно, возникла значительная группа проблем, которые были более или менее успешно решены.
Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга от Philips с середины 20-го века (1953). Электрическая мощность: около 180 Вт. Высота корпуса: около 0,5 м. Источник: Викисклада, Норберт Шнитцлер.
Использование гелия
В то же время появилась идея заменить рабочий фактор. До сих пор под лозунгом «рабочий фактор» в двигателях Стирлинга мы понимали обычный атмосферный воздух. В какой-то момент инженеры и ученые задали вопрос, есть ли что-то лучше с точки зрения термодинамических свойств? Да. Более или менее с 1930-х годов этот газ был коммерчески продан в промышленных количествах. Это гелий. Использование гелия в качестве рабочего вещества значительно повышает эффективность двигателей Стирлинга. Однако использование нового фактора вызвало совершенно новые проблемы. Гелий плохо хранится даже при комнатной температуре. То есть. из-за очень малых частиц, он имеет тенденцию проникать в большинство материалов, используемых в технологии со сталью в головке. В 60-х и 70-х годах были изучены гелиевые двигатели. Их характерная особенность, видимая на фотографиях,… прикреплена к двигателю гелиевого цилиндра, используемого для пополнения газа, выходящего из двигателя практически через все его элементы. Проблема была серьезной. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично.
Моторы Стирлинга, их применение в конце 20 века
В конце 20-го века двигатели Стирлинга снова вернулись. Оба НАСА, Государственный департамент США и Европейский союз инвестировали в исследования новых поколений двигателей Стирлинга. Они были в основном предназначены для солнечных систем (т. Е. Источник тепла должен был быть солнечным светом, сфокусированным на обогревателе двигателя большим параболическим зеркалом). Многие из этих двигателей имели неровный дизайн.
Пример проекта двигателя Стирлинга, предложенного г-ном Мацей Жукашем в соответствии с патентом P.389415 . Проект выполнен в рамках магистерской работы на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: проф. Вяслав Остапски, PhD, Eng.
Идея этой идеи заключалась в том, что весь двигатель с электрическим генератором должен быть запечатан в герметичном (для гелиевого) несъемного корпуса, считая, что он не может использоваться на протяжении всего срока его службы. Однако на этот раз технология не удалась. Если были получены положительные результаты, они были связаны со слишком высокими издержками. Наилучшим образом, самые распространенные двигатели Стирлинга в двадцатом веке остались в Индии настольные вентиляторы, конструктивно похожие на вышеупомянутые насосы для аквариума…
Пример солнечной системы с электрическим генератором, приводимым в движение двигателем Стирлинга.
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:
- Альфа-Стирлинг - содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень - горячий, другой - холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.
Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.
- Бета-Стирлинг - цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.
- Гамма-Стирлинг - тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра - один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.
Также существуют разновидности двигателя Стирлинга не попадающие под вышеуказанные три классических типа:
- Роторный двигатель Стирлинга - решены проблемы герметичности (патент Мухина на герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставке в Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, т.к. двигатель роторный) .
Недостатки
- Материалоёмкость - основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.
- Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела - водород, гелий.
- Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно , а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.
- Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.
Преимущества
Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.
- «Всеядность» двигателя - как все двигатели внешнего сгорания (вернее - внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями воды в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.
- Простота конструкции - конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.
- Увеличенный ресурс - простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
- Экономичность - в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.
- Бесшумность двигателя - стирлинг не имеет выхлопа, а значит - не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).
- Экологичность - сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.
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».
Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.
Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.
Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.
Устройство и принцип работы
Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.
В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.
В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.
Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.
В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.
В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.
Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.
В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.
В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.
Разные конструкции
Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.
Конструкция исполнения «Альфа»
Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.
Конструкция исполнения «Бета»
Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.
Конструкция исполнения «Гамма»
Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.
Преимущества
- Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
- Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
- Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
- Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
- Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.
- В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.
Недостатки
- При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
- Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
- Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
- Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.
Двигатель Стирлинга и его использование
При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.
- Универсальные источники электричества. Моторы Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют проекты солнечных электроустановок с применением таких двигателей. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители изготавливают генераторы, действующие от газовой конфорки. Существуют также проекты генераторов, которые работают от радиоизотопных источников тепла.
- Насосы . Если в контуре системы отопления установлен насос, то эффективность отопления значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливают насосы. Электрический насос может выйти из строя, к тому же, он потребляет электрическую энергию. Насос, действующий по принципу Стирлинга, решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкостей будет проще обычной схемы, так как вместо поршня может применяться сама перекачиваемая жидкость, служащая также для охлаждения.
- Холодильное оборудование . В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свои изделия двигатель Стирлинга, которые будут очень экономичны. Рабочим телом будет выступать воздух.
- Сверхнизкие температуры . Для сжижения газов такие моторы очень эффективны. Их использование более выгодное, чем турбинные устройства. Также двигатель Стирлинга применяется в устройствах для охлаждения датчиков точных приборов.
- . Электрическую энергию можно получать путем преобразования энергии солнца. Для этого могут применяться двигатели Стирлинга, которые устанавливают в фокус зеркала так, чтобы место нагрева непрерывно освещалось лучами солнца. Отражатель управляется по мере перемещения солнца, энергия которого концентрируется на малой площади. При этом происходит отражение излучения зеркалами около 92%. Рабочим телом двигателя служит чаще всего гелий или водород.
- Аккумуляторы тепла . С помощью устройства Стирлинга можно резервировать тепловую энергию, используя теплоаккумуляторы на основе расплавов солей. Такие устройства имеют запас энергии, превосходящий химические , и имеют меньшую стоимость. Применяя для регулировки мощности увеличение и уменьшение угла фазы между двумя поршнями, можно накапливать механическую энергию, осуществляя торможение двигателя. При этом двигатель служит тепловым насосом.
- Автомобилестроение . Несмотря на сложности, существуют действующие модели мотора Стирлинга, использующиеся для автомобилей. Заинтересованность в таком двигателе, подходящем для автомобиля, возникла еще в прошлом веке. Разработки в этом направлении проводили английские и немецкие автоконцерны. В Швеции также был разработан двигатель Стирлинга, в котором применялись унифицированные серийные агрегаты и узлы. В результате получился 4-цилиндровый мотор, параметры которого сравнимы с характеристиками небольшого дизельного двигателя. Этот двигатель был успешно испытан в качестве силового агрегата для многотонного грузовика.
Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.
Долгое время такие недостатки двигателей внутреннего сгорания (ДВС), как жесткие требования к топливу и маслам, загрязнение атмосферы, шум на выхлопе, резкое ухудшение экономичности и других характеристик при отклонении от оптимального режима работы и, наконец, не возможность использования источников тепла, не связанных с горением, не имели существенного значения. Однако с ростом числа и мощности эксплуатируемых ДВС проблемы токсического и шумового загрязнения окружающей среды приобрели жизненно важное значение.
Быстрое исчерпание разведанных запасов нефти в мире привело к тому, что в последние десять лет происходит переход из эры дешевой нефти в эру высоких цен на энергию в целом. С другой стороны, в новых отраслях техники возникла острая необходимость в специальных тепловых двигателях (например, для работы в космосе, в подводных условиях), не нуждающихся в атмосферном кислороде, но способных работать от любого высокотемпературного источника тепла.
Эти проблемы повысили интерес специалистов к альтернативному двигателю с внешним подводом тепла предложенному еще в 1816 г. шотландским изобретателем Робертом Стирлингом. Принцип работы двигателя Стирлинга (ДС), краткая историческая справка о его развитии и описание некоторых конструкций таких двигателей были опубликованы (см. статью Г. Б. Либефорта «Двигатель внешнего сгорания»).
По прогнозам ведущих специалистов крупных фирм США, Японии, Швеции, Голландии ДС, возможно, станет доминирующим двигателем в следующем столетии.
Почему же ДС прочат такие блистательные перспективы? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо вспомнить историю тепловых двигателей.
К пределу экономичности
В 1824 г. французский инженер С. Карно четко сформулировал условия, необходимые для наиболее эффективного превращения тепла в работу. Он предложил идеальный цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат . С тех пор данный цикл является термодинамическим эталоном совершенства тепловых двигателей. Но в цикле Карно при большой разности температур нагревателя и холодильника расширение и сжатие рабочего тела необходимо вести в очень большом интервале давлений, в связи с чем его практическая реализация настолько сложна, что оказывается нецелесообразной.Еще до выхода в свет работы С. Карно Р. Стирлинг удачно обошел эту трудность, введя в цикл тепловой машины регенерацию тепла. Однако низкий уровень технологии в начале XIX в. не позволил создать достаточно совершенные конструкции двигателей этого типа, и они были надолго забыты.
Расчеты, проведенные в 1938 г. специалистами фирмы «Филипс», показали, что оба цикла - и Стирлинга, и Карно - термодинамически равно ценны. Цикл Стирлинга, состоящий из двух изотерм и двух изохор . может служить таким же термодинамическим эталоном, как цикл Карно. Более того, регенерация тепла в этом цикле позволяет работать в большом интервале темпера тур, а следовательно, с высоким КПД при малых соотношениях давления сжатия и расширения рабочего тела. Эта особенность цикла Стирлинга делает реальной его практическую реализацию в двигателях, имеющих КПД, близкий к максимально возможному при данной разности температур нагревателя и холодильника.
Рассмотрим несколько идеализированный рабочий процесс двигателя Стирлинга вытесни тельного типа на наглядной компоновочной схеме с расположением цилиндров под углом 90° и обычным кривошипно-шатунным механизмом (рис. 3).
Термический КПД идеального цикла Стирлинга, как и цикла Карно, определяется формулой
Однако практически термический КПД этих двигателей заметно ниже.
В реальных двигателях Стирлинга энергия расходуется на трение и теплопроводность, а так же отходит с продуктами горения и т. д. Тем не менее, благодаря принципиальным термодинамическим преимуществам цикла Стирлинга в уже созданных ДС достигнуты наибольшие значения эффективного КПД по сравнению с другими тепловыми двигателями одинаковой мощности (рис. 2).
В двигателе Стирлинга можно использовать любое дешевое топливо: газ, уголь, дрова и даже торф. При этом, в отличие от ДВС, топливо сжигается непрерывно при низком давлении и оптимальном избытке воздуха в камере сгорания, расположенной вне рабочего объема Содержание ядовитых веществ в продуктах сгорания при таких условиях уменьшается до минимума, а количество выделяемой энергии увеличивается. Кроме традиционных топлив, для ДС пригодны другие источники тепла, расплавы солей, радиоизотопы, а так же ядерная и солнечная энергия, тепло недр Земли и т. п.
Внутренний объем двигателя Стирлинга герметичен, поэтому в него не попадает абразивная пыль, масло не соприкасается с продуктами горения и не окисляется (следовательно, почти не расходуется). Благодаря плавности рабочего процесса снижаются вибрация и нагрузки на все трущиеся элементы двигателя.
Эти особенности делают ДС более надежным и долговечным по сравнению с ДВС, позволяют использовать его длительное время без обслуживания. Принцип внешнего подвода тепла обеспечивает быстрый и безотказный запуск при низких температурах.
В дополнение к этому уникальному набору качеств двигатель Стирлинга практически бесшумен, так как он работает без клапанов и не имеет резкого пульсирующего выхлопа.
Перспективность двигателей Стирлинга давно подтверждена практикой. Например, фирма «Филипс» в свое время продемонстрировала 16 тонный автобус с ДС мощностью 100 л. с., фирма «Юнайтед Стирлинг» 7-тонный грузовой фургон, а американцы - легковой автомобиль "Форд-Торонто".
В настоящее время за рубежом примерно 60 фирм работают над дальнейшим совершенствованием двигателей Стирлинга. Уже разработаны двигатели этого типа большой мощности для тепловозов и электростанций, работающих на каменном угле. ДС используются для привода тепловых насосов, передвижных электрогенераторов. Созданы образцы для работы на спутниках Земли. Большое количество работ посвящено интереснейшей проблеме - применению миниатюрных ДС с радиоизотопным источником тепла для привода искусственного сердца.
Использование в качестве рабочего тела водорода под давлением до 200 кГ/см 2 (вместо воздуха, на котором работали первые ДС) позволило снизить удельную массу последних образцов ДС до 2,6-3,4 кГ/кВт, а отдельных конструкций до 1,2 кГ/кВт.
Эффективный КПД ДС нового поколения фирмы "Механикл-Технолоджи" (США) достигает 43,5% (вместо 32÷35% у лучших образцов автомобильных дизелей). Успехи в области технологии получения жаропрочной керамики позволят в дальнейшем повысить максимальную температуру цикла и создать ДС с КПД до 60%.
В рамках программы экономии энергетических ресурсов в Японии осуществляется шестилетний план разработок ДС. Уже в 1987 г. должны быть разработаны многотопливные двигатели с высокой топливной экономичностью и экологическими характеристиками для различных целей. В некоторых типах разрабатываемых двигателей будет использован природный газ. Недавно в пустыне Мохова в США было успешно испытано гелиооборудование с двигателем Стирлинга, преобразующее солнечную энергию в электрическую. Его общий КПД составил 29 %. Солнечная энергия, концентрируемая при помощи параболического зеркала, приводит в действие установку, работающую по идее Стирлинга.
Основные эксплуатационные показатели - ДВС - КПД, моторесурс и надежность работы - при уменьшении мощности снижаются в значительно большей степени, чем у ДС. Это и неудивительно, так как при малом размере цилиндра ДВС трудно обеспечить полное сгорание рабочей смеси, а вот горелка двигателя Стирлинга и при малой мощности обеспечивает практически полное сгорание топлива.
Как видно из рис. 2. эффективный КПД ДС в широком диапазоне мощностей более чем в два раза превышает КПД бензинового ДВС. В то же время при мощности на валу меньше 1 кВт КПД двигателя Стирлинга превосходит КПД бензинового ДВС в 3-4 раза.
Как показали результаты сравнительных испытаний, проводившихся в США, область экономичных скоростных и нагрузочных характеристик ДС примерно в семь раз шире, чем у современных ДВС. Благодаря этому при работе на частичных нагрузках и неустановившихся режимах (например, при движении автомобиля в городских условиях) ДС обеспечивает экономию до 50 % топлива по сравнению с ДВС, имеющим тот же эффективный КПД в режиме максимальной экономичности Подобный эффект, несомненно, будет наблюдаться для лодочных и судовых двигателей.
Велики потенциальные возможности экономии топлива и смазочных материалов при эксплуатации ДС а будущем. Действительно, если учесть более высокий КПД ДС, в два раза более низкую стоимость топлива (газ) и экономичность при работе на частичных нагрузках, то получается, что для этого типа двигателя расходы на топливо в широком диапазоне мощностей сокращаются примерно в 4-5 раз, а при мощности меньше 1 кВт - в 6 8 раз.
Один из разработанных и изготовленных мною двигателей Стирлинга с воздушным охлаждением мощностью 0,1 кВт показан на рис. 1. Он работает почти бесшумно, токсичность выхлопных газов ниже предела чувствительности прибора "Инфпалит-8". топливом служит сжиженный пропан.
ДС мощностью до 1 кВт должны найти широкое применение на миниавтомобилях, картингах, культиваторах, газонокосилках и сенокосилках, мотоблоках, для привода водяных насосов различного назначения и т. п. Небывалая топливная экономичность была практически подтверждена автором при использовании ДС малой мощности на газонокосилке и для других целей. На сегодняшний день ДС - это, по существу, единственный тепловой двигатель, который может без вреда для здоровья людей использоваться в закрытых помещениях складах, теплицах, туннелях и т. п.
Способность ДС в течение длительного времени работать без обслуживания позволяет эффективно использовать его в качестве источника питания на маяках, радиобуях, автоматических метеостанциях и т. п.
Двигатель для судов
В ДС примерно 50% теплоты, участвующей в цикле, отводится через холодильник (у дизеля 20%), причем для достижения высокого термического КПД двигателя тепло должно отводиться при пониженной температуре (как правило, 60 °С). В обычных условиях это требует применения более мощной системы охлаждения с радиатором, имеющим в 2,5-3 раза большую поверхность, чем у дизеля.Это существенное затруднение полностью отпадает при использовании ДС на водном транспорте, где охлаждающая среда - забортная вода - в неограниченном количестве. Сравнительно низкая ее температура (4-15° для средних широт) увеличивает разницу температур нагревателя и холодильника, следовательно, при этом КПД двигателя выше. Например, низкооборотные судовые дизели нового поколения мощностью порядка 1000-9000 кВт имеют эффективный КПД до 50%.
Значительно повысить экономичность эксплуатации судов позволит использование ДС, в котором будет сжигаться каменный уголь. Решающим доводом за такое решение является то, что стоимость угля в 6-10 раз ниже стоимости дизельного топлива. Одновременно, благодаря особенностям нового двигателя, повысится надежность силовой установки и готовность судна к эксплуатации, уменьшится объем работ по его техническому обслуживанию. Канадские ученые должным образом оценили эти преимущества и ведут исследования по переделке обычных судовых дизелей мощностью до 1700 кВт в двигатели Стирлинга, работающие на угле. Порошкообразный уголь предполагается подавать в камеру сгорания ДС при помощи форсунок и сжигать в распыленном состоянии
В последнее время к двигателю Стирлинга проявляют интерес даже некоторые фирмы, специализирующиеся на производстве судовых дизелей. Например, японская фирма «Мицубиси» недавно провела успешное испытание судового ДС мощностью 66 кВт. В период с 1980 по 1983 гг. в Шанхайском НИИ судовых дизелей был разработан двухцилиндровый ДС мощностью 7,5 кВт.
Большой интерес представляет возможность использования для судовых ДС тепловых аккумуляторов вместо топлива. Запас тепловой энергии в расплавах некоторых солей, например, фтористого лития, составляет примерно 0,5 кВт ч/л (500 кВт ч/м 3) Таким образом, энергоемкость тепловых аккумуляторов соизмерима с калорийностью обычных топлив и вполне достаточна для многих судов, совершающих не слишком длительные рейсы. В Николаевском кораблестроительном институте разработан проект судовой энергетической установки мощностью 100 кВт с тепловым аккумулятором, материалом для которого служит обыкновенный графит.
Зарядку тепловых аккумуляторов для судов можно производить при помощи сжигания угля, используя излишки электроэнергии в ночное время, а также от расположенных в портах высокотемпературных ядерных реакторов.
Двигатель Стирлинга весьма эффективен для установки на небольшие суда. Так фирма «Юнайтед Стирлинг» установила одноцилиндровый ДС мощностью 10 л. с. на серийно выпускаемом катере типа "Альбин" длиной 10 м, обеспечив скорость катера 7 уз. Двигатель был установлен в корме и снабжен реверс-редуктором. Уровень шума, который был измерен на расстоянии 1 м от двигателя, работающего на полной нагрузке без какого-либо глушителя, составлял всего 68 дБ, что на 20 дБ меньше, чем у ДВС.
Аналогичные испытания проведены на катере «Стирлинг Силенса» датской постройки. Катер развил скорость 13 уз, работа двигателя оказалась надежной, вибрации не ощущались. Можно полагать, что при серийном выпуске ДС вытеснят ДВС на малых судах.
Одно из специфических качеств двигателя Стирлинга - способность работать с тепловым аккумулятором без атмосферного воздуха может быть успешно реализовано на подводных аппаратах. Полное отсутствие загрязнения водной среды, возможность многократного и быстрого разогрева материала теплоаккумулятора на судне обеспечения позволяют эффективно использовать такой аппарат при любых видах подводных исследований и работ.
Энергозапас силовой установки с ДС и тепловым аккумулятором (с расплавом фтористого лития) в 8-10 раз больше, чем у обычной системы со свинцовокислотными аккумуляторами и электродвигателем постоянного тока.
Двигатель Стирлинга, в отличие от электро двигателя, даже при самом высоком КПД выделяет в окружающую среду много тепла. Поэтому подводный буксировщик с ДС легко приспособить для одновременного обогрева водолаза.
Согласно полученным автором экспериментальным данным, стандартного пятилитрового баллона с пропаном хватает для непрерывной работы самодельного ДС мощностью 0,1 кВт в течение 40 часов. Такой лодочный мотор удобен и надежен в эксплуатации, исключает загрязнение водоемов.
Итак, есть все технико-экономические предпосылки для того, чтобы двигатели Стирлинга мощностью до 1 кВт нашли применение на подводных буксировщиках и в качестве массового лодочного мотора. Дело в том, что при серийном производстве стоимость таких двигателей упрощенной конструкции, по моим предварительным расчетам, уже в настоящее время не может превышать стоимости обычных подвесных лодочных моторов с ДВС.
