1. Введення .......................................................................................... 3
2. Історія .......................................................................................... 4
3. Опис ....................................................................................... 4
4. Конфігурація ............................................................................... 6
5. Недоліки .................................................................................... .. 7
6. Переваги .............................................................................. 7
7. Застосування .................................................................................. 8
8. Висновок .................................................................................. 11
9. Список літератури .................................................................. .. 12
Вступ
На початку XXI століття людство дивиться в майбутнє з оптимізмом. На це є найвагоміші аргументи. Вчений думка не стоїть на місці. Сьогодні нам пропонуються все нові і нові розробки. Йде впровадження в наше життя все більш економічних, екологічно безпечних і перспективних технологій
Це стосується, перш за все, альтернативного двигунобудування і використання так званих "нових" альтернативних видів палива: вітру, сонця, води та інших джерел енергії
Завдяки двигунам всіляких типів людина отримує енергію, світло, тепло і інформацію. Двигуни є серцем, яке б'ється в такт з розвитком сучасної цивілізації. Вони забезпечують зростання виробництва, скорочують відстані. Поширені в даний час двигуни внутрішнього згоряння мають цілий ряд недоліків: їх робота супроводжується шумом, вібраціями, вони виділяють шкідливі відпрацьовані гази, забруднюючих тим самим нашу природу, і споживають багато палива. Але на сьогоднішній день альтернатива їм вже існує. Клас двигунів, шкода від яких мінімальний, - двигуни Стірлінга. Вони працюють по замкнутому циклу, без безперервних мікро вибухів в робочих циліндрах, практично без виділення шкідливих газів, та й палива їм потрібно набагато менше
Винайдені задовго до двигуна внутрішнього згоряння і дизеля, двигун Стірлінга був незаслужено забутий
Відродження інтересу до двигунів Стірлінга зазвичай асоціюється з діяльністю фірми Philips. Роботи по конструюванню двигунів Стірлінга невеликої потужності почалися в фірмі в середині 30-х років ХХ століття. Метою робіт було створення невеликого електричного генератора з низьким рівнем шуму і тепловим приводом для живлення радіоапаратури в районах світу з відсутністю регулярних джерел електропостачання. У 1958 році компанія General Motors уклала ліцензійну угоду з фірмою Philips, і їх співпраця тривала до 1970 року. Розробки були пов'язані з використанням двигунів Стірлінга для космічних і підводних енергетичних установок, автомобілів і судів, а також для систем стаціонарного енергопостачання. Шведська фірма United Stirling, сконцентрувала свої зусилля в основному на двигунах для транспортних засобів великої вантажопідйомності, поширили свої інтереси на область двигунів для легкових машин. Справжній же інтерес до двигуна Стірлінга відродився тільки в часи так званого "енергетичної кризи". Саме тоді особливо привабливими здалися потенційні можливості цього двигуна відносно економічного споживання звичайного рідкого палива, що було вельми важливим в зв'язку з ростом цін на паливо
Історія
Двигун Стірлінга був уперше запатентований шотландським священиком Робертом Стірлінгом 27 вересня 1816 роки (англійський патент № 4081). Однак перші елементарні «двигуни гарячого повітря» були відомі ще в кінці XVII століття, задовго до Стірлінга. Досягненням Стірлінга є додавання очисника, який він назвав «економ». У сучасній науковій літературі цей очищувач називається «регенератор» (теплообмінник). Він збільшує продуктивність двигуна, утримуючи тепло в теплій частині двигуна, в той час як робоче тіло охолоджується. Цей процес набагато підвищує ефективність системи. У 1843 році Джеймс Стірлінг використовував цей двигун на заводі, де він в той час працював інженером. У 1938 році фірма «Філіпс» інвестувала в мотор Стірлінга потужністю понад двісті кінських сил і віддачею більш 30%. Двигун Стірлінга має багато переваг і був широко поширений в епоху парових машин.
опис
двигун Стірлінга - теплова машина, в якій рідке або газоподібне робоче тіло рухається в замкнутому об'ємі, різновид двигуна зовнішнього згоряння. Заснований на періодичному нагріванні і охолодженні робочого тіла з витяганням енергії з виникає при цьому зміни обсягу робочого тіла. Може працювати не тільки від спалювання палива, але і від будь-якого джерела тепла.
У XIX столітті інженери хотіли створити безпечну альтернативу паровим двигунам того часу, котли яких часто вибухали через високі тиски пари і невідповідних матеріалів для їх побудови. Хороша альтернатива паровим машинам з'явилася зі створенням двигунів Стірлінга, який міг перетворювати в роботу будь-яку різницю температур. Основний принцип роботи двигуна Стірлінга полягає в постійно чередуемих нагріванні і охолодженні робочого тіла в закритому циліндрі. Зазвичай в ролі робочого тіла виступає повітря, але також використовуються водень і гелій. У ряді експериментальних зразків випробовувалися фреони, двоокис азоту, скраплений пропан-бутан і вода. В останньому випадку вода залишається в рідкому стані на всіх ділянках термодинамічної циклу. Особливістю стірлінга з рідким робочим тілом є малі розміри, висока питома потужність і великі робочі тиски. Існує також стірлінг з двофазним робочим тілом. Він теж характеризується високою питомою потужністю, високим робочим тиском.
З термодинаміки відомо, що тиск, температура і обсяг газу взаємозалежні і діють за законом ідеальних газів
, Де:- P - тиск газу;
- V - об'єм газу;
- n - кількість молей газу;
- R - універсальна газова константа;
- Т - температура газу в кельвінах.
Це означає, що при нагріванні газу його обсяг збільшується, а при охолодженні - зменшується. Це властивість газів і лежить в основі роботи двигуна Стірлінга.
Двигун Стірлінга використовує цикл Стірлінга, який по термодинамічної ефективністю не поступається циклу Карно, і навіть має перевагу. Справа в тому, що цикл Карно складається з мало відрізняються між собою ізотерм і адіабати. Практична реалізація цього циклу є малоперспективною. Цикл Стірлінга дозволив отримати практично працюючий двигун в прийнятних габаритах.
Цикл Стірлінга складається з чотирьох фаз і розділений двома перехідними фазами: нагрів, розширення, перехід до джерела холоду, охолодження, стиснення і перехід до джерела тепла. Таким чином, при переході від теплого джерела до холодного джерела відбувається розширення і стиснення газу, що знаходиться в циліндрі. Різницю обсягів газу можна перетворити в роботу, чим і займається двигун Стірлінга. Робочий цикл двигуна Стірлінга beta-типу:
1
|
2
|
3
|
4
|
де: a - витіснювальний поршень; b - робочий поршень; з - маховик; d - вогонь (область нагрівання); e - охолоджуючі ребра (область охолодження).
- Зовнішнє джерело тепла нагріває газ в нижній частині теплообмінного циліндра. Створюваний тиск штовхає робочий поршень вгору (зверніть увагу, що витіснювальний поршень нещільно прилягає до стінок).
- Маховик штовхає витіснювальний поршень вниз, тим самим переміщаючи розігрітий повітря з нижньої частини в охолоджувальну камеру.
- Повітря охолоджується і стискається, поршень опускається вниз.
- Витіснювальний поршень піднімається вгору, тим самим переміщаючи охолоджене повітря в нижню частину. І цикл повторюється.
У машині Стірлінга рух робочого поршня зрушено на 90 ° щодо руху поршня-витискувача. Залежно від знака цього зсуву машина може бути двигуном або тепловим насосом. При зсуві 0 машина не робить ніякої роботи (крім втрат на тертя) і не виробляє її.
Бета-Стірлінг - циліндр всього один, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Усередині циліндра рухаються поршень (з якого знімається потужність) і «витіснювач», що змінює обсяг гарячої порожнини. Газ перекачується з холодної частини циліндра в гарячу через регенератор. Регенератор може бути зовнішнім, частиною теплообмінника, або поєднаним з поршнем-витіснювачем.
Гамма-Стірлінг - теж є поршень і «витіснювач», але при цьому два циліндра - один холодний (там рухається поршень, з якого знімається потужність), а другий гарячий з одного кінця і холодний з іншого (там рухається «витіснювач»). Регенератор з'єднує гарячу частину другого циліндра з холодною і одночасно з першим (холодним) циліндром.
Сучасне автомобілебудування вийшло на такий рівень розвитку, при якому без фундаментальних наукових досліджень практично неможливо досягти кардинальних покращень в конструкції традиційних моторів внутрішнього згоряння. Така ситуація змушує конструкторів звернути увагу на альтернативні проекти силових установок. Одні інженерні центри зосередили свої сили на створенні і адаптації до серійного випуску гібридних і електричних моделей, інші автоконцерни вкладають кошти в розробку двигунів на паливі з поновлюваних джерел (наприклад, біодизель на рапсовій олії). Існують і інші проекти силових агрегатів, які в перспективі можуть стати новим стандартним рушієм для транспортних засобів.
Серед можливих джерел механічної енергії для автомобілів майбутнього слід назвати двигун зовнішнього згоряння, який був винайдений в середині XIX століття шотландцем Робертом Стірлінгом як теплової розширювальної машини.
Схема роботи
Двигун Стірлінга перетворює теплову енергію, що підводиться ззовні, в корисну механічну роботу за рахунок зміни температури робочого тіла(Газу або рідини), що циркулює в замкнутому просторі.
В загалом вигляді схема роботи пристрою виглядає наступним чином: в нижній частині двигуна робоча речовина (наприклад, повітря) нагрівається і, збільшуючись в обсязі, виштовхує поршень вгору. Гаряче повітря проникає в верхню частину мотора, де охолоджується радіатором. Тиск робочого тіла знижується, поршень опускається для наступного циклу. При цьому система герметична і робоча речовина не витрачається, а лише переміщається всередині циліндра.
Існує кілька варіантів конструкції силових агрегатів, що використовують принцип Стірлінга.
Стірлінг модифікації «Альфа»
Двигун складається з двох роздільних силових поршнів (гарячого і холодного), кожен з яких знаходиться в своєму циліндрі. До циліндру з гарячим поршнем підводиться тепло, а холодний циліндр розташований в охолодному теплообміннику.
Стірлінг модифікації «Бета»
Циліндр, в якому знаходиться поршень, нагрівається з одного боку і охолоджується з протилежного кінця. У циліндрі рухається силовий поршень і витіснювач, призначений для зміни обсягу робочого газу. Зворотне переміщення остиглого робочої речовини в гарячу порожнину двигуна виконує регенератор.
Стірлінг модифікації «Гамма»
Конструкція складається з двох циліндрів. Перший - повністю холодний, в якому рухається силовий поршень, а другий, гарячий з одного боку і холодний з іншого, служить для переміщення витіснювача. Регенератор для циркуляції холодного газу може бути загальним для обох циліндрів або входити в конструкцію витіснювача.
Переваги двигуна Стірлінга
Як і більшість моторів зовнішнього згоряння, Стірлінг властива многотопливность: Двигун працює від перепаду температури, незалежно від причин його викликали.
Цікавий факт!Одного разу була продемонстрована установка, яка функціонувала на двадцяти варіантах палива. Без зупинки двигуна в зовнішню камеру згоряння подавалися бензин, дизельне паливо, Метан, сира нафта і рослинне масло - силовий агрегат продовжував стійко працювати.
двигун має простотою конструкції і не вимагає додаткових систем і навісного обладнання (ГРМ, стартер, коробка передач).
Особливості пристрою гарантують тривалий експлуатаційний ресурс: більш ста тисяч годин безперервної роботи.
Двигун Стірлінга безшумний, так як в циліндрах не відбувається детонація і відсутня необхідність виведення відпрацьованих газів. Модифікація «Бета», оснащена ромбічним кривошипно-шатунним механізмом, є ідеально збалансованою системою, яка в процесі роботи не має вібрацій.
В циліндрах двигуна не відбуваються процеси, які можуть мати негативний вплив на навколишнє середовище. При виборі відповідного джерела тепла (наприклад, сонячна енергія) Стірлінг може бути абсолютно екологічно чистим силовим агрегатом.
Недоліки конструкції Стірлінга
При наборі позитивних властивостей негайне масове застосування двигунів Стірлінга неможливо з наступних причин:
Основна проблема полягає в матеріаломісткості конструкції. Охолодження робочого тіла вимагає наявності радіаторів великого обсягу, що істотно збільшує розміри і металоємність виготовлення установки.
Нинішній технологічний рівень дозволить двигуна Стірлінга зрівнятися за характеристиками з сучасними бензиновими моторами тільки за рахунок застосування складних видів робочого тіла (гелій або водень), що знаходяться під тиском більше ста атмосфер. Цей факт викликає серйозні питання як в галузі матеріалознавства, так і забезпечення безпеки користувачів.
Важлива експлуатаційна проблема пов'язана з питаннями теплопровідності і температурної стійкості металів. Тепло підводиться до робочого об'єму через теплообмінники, що призводить до неминучих втрат. Крім того, теплообмінник повинен бути виготовлений з термостійких металів, стійких до високого тиску. Відповідні матеріали дуже дорогі і складні в обробці.
Принципи зміни режимів двигуна Стірлінга також кардинально відрізняються від традиційних, що вимагає розробки спеціальних керуючих пристроїв. Так, для зміни потужності необхідно змінити тиск в циліндрах, кут фаз між витіснювачем і силовим поршнем або вплинути на ємність порожнини з робочим тілом.
Один із способів управління швидкістю обертання валу на моделі двигуна Стірлінга можна побачити на наступному відео:
Коефіцієнт корисної дії
У теоретичних розрахунках ефективність двигуна Стірлінга залежить від різниці температур робочого тіла і може досягати 70% і більше відповідно до циклом Карно.
Однак перші реалізовані в металі зразки володіли вкрай невисоким ККД з наступних причин:
- неефективні варіанти теплоносія (робочого тіла), що обмежують максимальну температуру нагрівання;
- втрати енергії на тертя деталей і теплопровідність корпусу двигуна;
- відсутність конструкційних матеріалів, стійких до високого тиску.
Інженерні рішення постійно вдосконалювали пристрій силового агрегату. Так, у другій половині XX століття чотирициліндровий автомобільний двигун Стірлінга з ромбічним приводом показав на випробуваннях ККД рівний 35% на водному теплоносії з температурою 55 ° C.Тщательная опрацювання конструкції, застосування нових матеріалів і доведення робочих вузлів забезпечили ККД експериментальних зразків в 39%.
Примітка! Сучасні бензинові двигуни аналогічної потужності мають коефіцієнт корисної дії на рівні 28-30%, а турбовані дизелі в межах 32-35%.
Сучасні зразки двигуна Стірлінга, такі як створений американською компанією Mechanical Technology Inc, демонструють ефективність до 43,5%. А з освоєнням випуску жароміцної кераміки і аналогічних інноваційних матеріалів з'явиться можливість значного підвищення температури робочого середовища і досягнення ККД в 60%.
Приклади успішної реалізації автомобільних Стірлінга
Незважаючи на всі складнощі, відомо чимало працездатних моделей двигуна Стірлінга, які можна застосувати для автомобілебудування.
Зацікавленість в Стірлінг, відповідному для установки в автомобіль, з'явилася в 50-і роки XX століття. Роботу в даному напрямку вели такі концерни, як Ford Motor Company, Volkswagen Group та інші.
Компанія UNITED STIRLING (Швеція) розробила Стірлінг, в якому максимально використовувалися серійні вузли і агрегати, що випускаються автовиробниками (колінчастий вал, шатуни). Одержаний в результаті чотирициліндровий V-подібний двигун мав питомою масою 2,4 кг / кВт, що порівнянно з характеристиками компактного дизеля. Даний агрегат був успішно випробуваний в якості силової установки семитонних вантажного фургона.
Одним з успішних зразків є чотирициліндровий двигун Стірлінга нідерландського виробництва моделі «Philips 4-125DA», що призначався для установки на легковий автомобіль. Мотор мав робочу потужність 173 л. с. в розмірах, аналогічних класичного бензиновому агрегату.
Значних результатів досягли інженери компанії General Motors, побудувавши в 70-х роках восьмициліндровий (4 робочих і 4 компресійних циліндра) V-подібний двигун Стірлінга зі стандартним кривошипно-шатунним механізмом.
Аналогічною силовою установкою в1972 році оснащувалася обмежена серія автомобілів Ford Torino, Витрата палива у якій знизився на 25% в порівнянні з класичною бензинової V-подібною вісімкою.
В даний час понад півсотні зарубіжних компаній ведуть роботи по вдосконаленню конструкції двигуна Стірлінга з метою його адаптації до масового випуску для потреб автомобілебудування. І якщо вдасться усунути недоліки даного типу двигунів, в той же час зберігши його переваги, то саме Стірлінг, а не турбіни і електромотори, прийде на зміну бензиновим ДВС.
Загострення глобальних проблем, які потребують термінового вирішення (виснаження природних ресурсів, забруднення довкілля і т. д.), призвело в кінці XX століття до необхідності прийняття ряду міжнародних і російських законодавчих актів в галузі екології, природокористування та енергозбереження. Основні вимоги цих законів спрямовані на скорочення викидів СО2, ресурсо- та енергозбереження, переклад автотранспорту на екологічно чисті моторні палива і т.д.
Одним з перспективних шляхів вирішення цих завдань є розробка і широке впровадження енергопреобразующіх систем на основі двигунів (машин) Стірлінга. Принцип роботи таких двигунів був запропонований в 1816 році шотландцем Робертом Стірлінгом. Це машини, що працюють по замкнутому термодинамическому циклу, в якому циклічні процеси стиснення і розширення відбуваються при різних рівнях температур, а управління потоком робочого тіла здійснюється шляхом зміни його обсягу.
Двигун Стірлінга є унікальною теплової машиною, оскільки його теоретична потужність дорівнює максимальної потужності теплових машин (циклу Карно). Він працює за рахунок теплового розширення газу, за яким слідує стиснення газу при його охолодженні. Двигун містить деякий постійний обсяг робочого газу, який переміщується між «холодної» частиною (зазвичай має температуру навколишнього середовища) і «гарячої» частиною, яка нагрівається за рахунок спалювання різного палива або за рахунок інших джерел теплоти. Нагрівання відбувається зовні, тому двигун Стірлінга відносять до двигунів зовнішнього згоряння (ДВПТ). Оскільки, в порівнянні з ДВС, в двигунах Стірлінга процес горіння здійснюється поза робочих циліндрів і протікає равновесно, робочий цикл реалізується в замкнутому внутрішньому контурі при щодо малих швидкостях підвищення тиску в циліндрах двигуна, плавному характер теплогідравлічних процесів робочого тіла внутрішнього контуру і при відсутності газорозподільного механізму клапанів.
Необхідно відзначити, що за кордоном уже розпочато виробництво двигунів Стірлінга, технічні характеристики яких перевершують ДВС і газотурбінні установки (ГТУ). Так, двигуни Стірлінга фірм «Philips», «STM Inc.», «Daimler Benz», «Solo», «United Stirling» потужністю від 5 до 1200 кВт мають к.к.д. більше 42%, робочий ресурс понад 40 тис. годин і питому масу від 1,2 до 3,8 кг / кВт.
У світових оглядах по енергопреобразующей техніці двигун Стірлінга розглядається як найбільш перспективний в XXI столітті. Низький рівень шуму, мала токсичність відпрацьованих газів, можливість роботи на різних паливах, великий ресурс, хороші характеристики крутного моменту - все це робить двигуни Стірлінга більш конкурентоспроможними в порівнянні з ДВС.
Де можуть застосовуватися двигуни Стірлінга?
Автономні енергетичні установки з двигунами Стірлінга (стірлінг-генератори) можуть знайти застосування в регіонах Росії, де немає запасів традиційних енергоносіїв - нафти і газу. В якості палива можна використовувати торф, деревину, сланці, біогаз, вугілля, відходи сільського господарства і лісопереробної промисловості. Відповідно, зникає проблема з енергозабезпеченням багатьох регіонів.
Такі енергетичні установки екологічно чисті, так як концентрація шкідливих речовин в продуктах згоряння майже на два порядки нижче, ніж у дизельних електростанцій. Тому стірлінг-генератори можна встановлювати в безпосередній близькості від споживача, що дозволить позбутися від втрат на передачу електроенергії. Генератор потужністю 100 кВт може забезпечити електроенергією і теплом будь населений пункт з населенням понад 30-40 чоловік.
Автономні енергетичні установки з двигунами Стірлінга знайдуть широке застосування і в нафтогазовій промисловості РФ при освоєнні нових родовищ (особливо в умовах Крайньої Півночі і шельфу арктичних морів, де потрібна серйозна енергоозброєність розвідувальних, бурових, зварювальних і інших робіт). В якості палива тут можна використовувати неочищений природний газ, нафтовий газ і газовий конденсат.
Зараз в РФ щорічно втрачається до 10 млрд. Куб. м попутного газу. Збирати його складно і дорого, використовувати в якості моторного палива для двигунів внутрішнього згоряння не можна через постійно мінливого фракційного складу. Щоб газ не забруднював атмосферу, він просто спалюється. У той же час його використання в якості моторного палива дасть суттєвий економічний ефект.
Енергоустановки потужністю 3-5 кВт доцільно використовувати в системах автоматизації, зв'язку і катодного захисту на магістральних газопроводах. А більш потужні (від 100 до 1000 кВт) - для електро- і теплопостачання великих вахтових селищ газовиків і нафтовиків. Установки понад 1 тис. КВт можуть застосовуватися на наземних і морських бурових об'єктах нафтогазової промисловості.
Проблеми створення нових двигунів
Двигун, запропонований самим Робертом Стірлінгом, мав значні масо-габаритні характеристики і низький ККД Через складність процесів в такому двигуні, пов'язаних з безперервним рухом поршнів, перший спрощений математичний апарат був розроблений тільки в 1871 році празьким професором Г. Шмідтом. Запропонований ним метод розрахунку грунтувався на ідеальної моделі циклу Стірлінга і дозволяв створювати двигуни з ККД до 15%. Лише до 1953 року голландською фірмою «Філіпс» були створені перші високоефективні двигуни Стірлінга, що перевершують за характеристиками двигуни внутрішнього згоряння.
У Росії спроби створення вітчизняних двигунів Стірлінга робилися неодноразово, проте успіху не мали. Є кілька основних проблем, що стримують їх розробку і широке застосування.
Перш за все це створення адекватної математичної моделі проектованої машини Стірлінга і відповідного методу розрахунку. Складність розрахунку визначається складністю реалізації термодинамічного циклу Стірлінга в реальних машинах, обумовленої нестационарностью тепломассового обміну у внутрішньому контурі - внаслідок безперервного руху поршнів.
відсутність адекватних математичних моделей і методів розрахунку - головна причина невдач ряду зарубіжних і вітчизняних підприємств в розробці як двигунів, так і холодильних машин Стірлінга. Без точного математичного моделювання доведення проектованих машин перетворюється в багаторічні виснажливі експериментальні дослідження.
Ще одна проблема полягає в створенні конструкцій окремих вузлів, складнощі з ущільненнями, регулюванням потужності і т.д. Труднощі конструктивного виконання обумовлені застосовуваними робочими тілами, в якості яких використовується гелій, азот, водень і повітря. Гелій, наприклад, володіє надтекучістю, що диктує підвищені вимоги до ущільнюючим елементів робочих поршнів, і т. Д.
Третя проблема - високий рівень технології виробництва, необхідність застосування жаростійких сплавів і металів, нових методів їх зварювання і пайки.
Окреме питання - виготовлення регенератора і насадки для нього для забезпечення, з одного боку, високій теплоємності, а з іншого - низького гідравлічного опору.
Вітчизняні розробки машин Стірлінга
В даний час в Росії накопичено достатній науковий потенціал для створення високоефективних двигунів Стірлінга. Значні результати були досягнуті в ТОВ «Інноваційно-дослідницький центр« Стірлінг-технології ». Фахівцями було проведено теоретико-експериментальні дослідження для розробки нових методів розрахунку високоефективних двигунів Стірлінга. Основні напрямки робіт пов'язані із застосуванням двигунів Стірлінга в когенераційних установках та системах використання теплоти відпрацьованих газів, наприклад в міні-ТЕЦ. В результаті були створені методики розробки і дослідні зразки двигунів потужністю 3 кВт.
Особливу увагу в ході досліджень було приділено опрацювання окремих вузлів машин Стірлінга і їх конструктивного виконання, а також створення нових принципових схем установок різного функціонального призначення. пропоновані технічні рішення з урахуванням того, що машини Стірлінга менш дорогі в експлуатації, дозволяють підвищити економічну ефективність застосування нових двигунів в порівнянні з традиційними перетворювачами енергії.
Виробництво двигунів Стірлінга є економічно доцільним з урахуванням практично необмеженого попиту на екологічно чисте і високоефективне енергетичне обладнання як в Росії, так і за кордоном. Однак без участі і підтримки держави і великого бізнесу проблема їх серійного виробництва не може бути вирішена в повному обсязі.
Як допомогти виробництву двигунів Стірлінга в Росії?
Очевидно, що інноваційна діяльність (особливо освоєння базисних інновацій) - складний і ризикований вид господарської діяльності. Тому вона повинна спиратися на механізм державної підтримки, особливо «на старті», з подальшим переходом на звичайні ринкові умови.
Механізм створення в Росії великомасштабного виробництва машин Стірлінга і енергопреобразующіх систем на їх основі міг би включати:
- пряме пайову бюджетне фінансування інноваційних проектів по машинам Стірлінга;
- непрямі заходи підтримки за рахунок звільнення продукції, що випускається по стірлінг-проектам, від ПДВ та інших податків федерального і регіонального рівнів протягом перших двох років, а також надання податкового кредиту за такою продукції на наступні 2-3 роки (з огляду на, що витрати освоєння принципово нової продукції недоцільно включати в її ціну, тобто до витрат виробника або споживача);
- виключення з оподатковуваної бази з податку на прибуток вкладу підприємства у фінансування стірлінг-проектів.
Надалі, на етапі сталого просування енергетичного обладнання на основі машин Стірлінга на внутрішньому і зовнішньому ринках, заповнення капіталів для розширення виробництва, технічного переоснащення і підтримки чергових проектів з виробництва нових типів обладнання може здійснюватися за рахунок прибутку та продажу акцій успішно освоєного виробництва, кредитних ресурсів комерційних банків, а також залучення іноземних інвестицій.
Можна припустити, що завдяки наявності технологічної бази та накопиченого наукового потенціалу в проектуванні машин Стірлінга, при розумної фінансової і технічної політики Росія може вже в найближчому майбутньому стати світовим лідером в області виробництва нових екологічно чистих і високоефективних двигунів.
У двигунах зовнішнього згоряння процес спалювання палива і джерело теплового впливу відокремлені від робочої установки. До даної категорії зазвичай відносять парові і газові турбіни, а також двигуни Стірлінга. Перші прототипи подібних установок були сконструйовані більше двох століть назад і застосовувалися протягом майже всього XIX століття.
Коли для бурхливо розвивається промисловості знадобилися потужні і економічні енергетичні установки, конструктори придумали заміну вибухонебезпечним парових двигунів, де робочим тілом був знаходиться під великим тиском пар. Так з'явилися двигуни зовнішнього згоряння, які поширені вже на початку XIX століття. Тільки через кілька десятків років їм на зміну прийшли двигуни внутрішнього згоряння. Коштували вони істотно дешевше, що і їх широке поширення.
Але сьогодні конструктори все пильніше придивляються до вийшли з широкого вжитку двигунів зовнішнього згоряння. Це пояснюється їх перевагами. Головне достоїнство полягає в тому, що такі установки не потребують добре очищеному і дорогому паливі.
Двигуни зовнішнього згорання невибагливі, хоча до цих пір їх будівництво і обслуговування обходяться досить дорого.
двигун Стірлінга
Один з найвідоміших представників сімейства двигунів зовнішнього згоряння - машина Стірлінга. Вона була придумана в 1816 році, неодноразово удосконалювалася, але згодом на довгий час була незаслужено забута. Тепер же двигун Стірлінга отримав друге народження. Його з успіхом використовують навіть при освоєнні космічного простору.
Робота машини Стірлінга заснована на замкнутому термодинамическом циклі. Періодичні процеси стиснення і розширення тут йдуть при різних температурах. Управління робочим потоком відбувається за допомогою зміни його обсягу.
Двигун Стірлінга може працювати в якості теплового насоса, генератора тиску, пристрої для охолодження.
В даному двигуні при низькій температурі йде стиснення газу, а при високій - його розширення. Періодична зміна параметрів відбувається за рахунок використання особливого поршня, що має функцію витіснювача. Тепло до робочого тіла при цьому підводиться з зовнішньої сторони, Через стінку циліндра. Ця особливість і дає право
Незважаючи на свої високі показники, сучасний двигун внутрішнього згоряння починає застарівати. Його к. П. Д. Досяг, мабуть, своєї межі. Шум, вібрація, які отруюють повітря гази і інші властиві йому недоліки змушують вчених шукати нові рішення, переглядати можливості давно «забутих» циклів. Одним з «відроджених» двигунів є стірлінг.
Ще в 1816 р шотландський священик і вчений Роберт Стірлінг запатентував двигун, в якому паливо і повітря, що надходять в зону горіння, ніколи не потрапляють всередину циліндра. Вони, згораючи, лише нагрівають знаходиться в ньому робочий газ. Це і дало підставу назвати винахід Стірлінга двигуном зовнішнього згоряння.
Роберт Стірлінг побудував кілька двигунів; останній з них мав потужність 45 л. с. і пропрацював на шахті в Англії більше трьох років (до 1847 г.). Ці двигуни були дуже важкими, займали багато місця і зовні нагадували парові машини.
Для мореплавання двигуни зовнішнього згоряння вперше були застосовані в 1851 р шведом Джоном Еріксоном. Побудоване їм судно «Еріксон» благополучно перетнуло Атлантичний океан з Америки в Англію з силовою установкою, що складалася з чотирьох двигунів зовнішнього згоряння. У століття парових машин це було сенсацією. Однак силова установка Еріксона розвивала всього 300 л. с., а не тисячі, як очікувалося. Двигуни мали величезні розміри (діаметр циліндра 4,2 м, хід поршня 1,8 м). Витрата вугілля вийшов не менше, ніж у парових машин. Коли судно прийшло в Англію, виявилося, що двигуни не придатні для подальшої експлуатації, так як у них прогоріли днища циліндрів. Щоб повернутися в Америку, довелося замінити двигуни звичайної паровою машиною. На зворотному шляху судно потрапило в аварію і затонуло з усім екіпажем.
Малопотужні двигуни зовнішнього згоряння в кінці минулого століття застосовувалися в будинках для перекачування води, в друкарнях, на промислових підприємствах, в тому числі на петербурзькому заводі Нобеля (нині «Російський дизель»), Встановлювалися вони і на дрібних судах. Стирлинги випускалися в багатьох країнах, в тому числі в Росії, де вони називалися «тепло і сила». Цінували їх за безшумність і безпеку роботи, ніж вони вигідно відрізнялися від парових машин.
З розвитком двигунів внутрішнього згоряння про Стірлінга забули. В енциклопедичному словнику Брокгауеа і Ефрона про них написано наступне: «Безпека від вибухів становить головну вигідну сторону калорических машин, завдяки якій вони можуть знову увійти в вживання, якщо знайдуть для їх побудови і мастила нові матеріали, краще витримують високу температуру».
Справа полягала, однак, не тільки у відсутності відповідних матеріалів. Ще залишалися невідомими сучасні принципи термодинаміки, зокрема еквівалентність тепла і роботи, без чого неможливо було визначити найвигідніші співвідношення основних елементів двигуна. Теплообмінники робили з малою поверхнею, через що двигуни працювали при непомірно високих температурах і швидко виходили з ладу.
Спроби удосконалити Стірлінг були зроблені після другої світової війни. Найбільш істотні з них полягали в тому, що робочий газ стали застосовувати стисненим до 100 атм і використовувати не повітря, а водень, який має більш високий коефіцієнт теплопровідності, низьку в'язкість і, крім того, не окисляє мастила.
Пристрій двигуна зовнішнього згоряння в його сучасному вигляді схематично показано на рис. 1. У закритому з одного боку циліндрі знаходяться два поршня. Верхній - поршень-в и гнобите ль служить для прискорення процесу періодичного нагріву і охолодження робочого газу. Він являє собою порожнистий закритий циліндр з нержавіючої сталі, погано проводить тепло, і переміщається під дією штока, пов'язаного з кривошипно-шатунним механізмом.
Нижній поршень - робочий (на малюнку показаний в перетині). Він передає зусилля на кривошипно-шатунний механізм через порожній шток, всередині якого проходить шток витіснювача. Робочий поршень забезпечений ущільнювальними кільцями.
Під робочим поршнем є буферна ємність, що утворює подушку, що виконує функцію маховика - згладжувати нерівномірність крутного моменту завдяки відбору частини енергії під час робочого ходу і віддачі її на вал двигуна під час ходу стиснення. Для ізоляції обсягу циліндра від навколишнього простору служать ущільнення типу «загортається панчіх». Це гумові трубки, прикріплені одним кінцем до штоку, а іншим до корпусу.
Верхня частина циліндра стикається з підігрівачем, а нижня - з холодильником. Відповідно в ньому виділяються «гарячий» і «холодний» обсяги, вільно сполучені між собою за допомогою трубопроводу, в якому знаходиться регенератор (теплообмінник). Регенератор заповнений путанку з дроту малого діаметра (0,2 мм) і має високу теплоємність (наприклад, к. П. Д. Регенераторів фірми Філіпе перевищує 95%).
Робочий процес двигуна Стірлінга може бути здійснений і без витіснювача, на основі застосування золотникового розподільника робочого заряду.
У нижній частині двигуна розташований кривошипно-шатунний механізм, службовець для перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертальний рух вала. Особливістю цього механізму є наявність двох колінчастих валів, з'єднаних двома шестернями зі спіральними зубами, що обертаються назустріч один одному. Шток витіснювача пов'язаний з колінчатими валами за допомогою нижньої рульової осі і причіпних шатунів. Шток робочого поршня з'єднується з колінчатими валами через верхнє коромисло і причіпні шатуни. Система однакових шатунів утворює рухливий деформується ромб, звідки і назва цієї передачі - ромбічна. Ромбическая передача забезпечує необхідний зрушення фаз при русі поршнів. Вона повністю врівноважена, в ній не виникають бічні зусилля на штоки поршнів.
У просторі, обмеженому, робочим поршнем, знаходиться робочий газ - водень або гелій. Повний обсяг газу в циліндрі не залежить від положення витіснювача. Зміни обсягу, пов'язані зі стисненням і розширенням робочого газу, відбуваються за рахунок переміщення робочого поршня.
При роботі двигуна верхня частина циліндра постійно нагрівається, наприклад, від камери згоряння, в яку впорскується рідке паливо. Нижня частина циліндра постійно охолоджується, наприклад, холодною водою, Що прокачується через водяну сорочку, навколишнє циліндр. Замкнутий цикл Стірлінга складається з чотирьох тактів, зображених на рис. 2.
Такт I - охолодження. Робочий поршень знаходиться в крайньому нижньому положенні, витіснювач рухається вгору. При цьому робочий газ перетікає з «гарячого» обсягу над витіснювачем в «холодний» обсяг під ним. Проходячи по шляху через регенератор, робочий газ віддає йому частину свого тепла, а потім охолоджується в «холодному» обсязі.
Такт II - стиснення. Витіснювач залишається у верхньому положенні, робочий поршень рухається вгору, стискаючи робочий газ при низькій температурі.
Такт III - нагрівання. Робочий поршень знаходиться у верхньому положенні, витіснювач рухається вниз. При цьому стиснене холодний робочий газ спрямовується з-під витискує в звільнене простір над ним. По дорозі робочий газ проходить через регенератор, де попередньо підігрівається, потрапляє в «гарячу» порожнину циліндра і нагрівається ще сильніше.
Такт IV - розширення (робочий хід). Нагріваючись, робочий газ розширюється, пересуваючи при цьому витіснювач і разом з ним робочий поршень вниз. Здійснюється корисна робота.
Стірлінг має замкнутий циліндр. На рис. 3, а показана діаграма теоретичного циклу (діаграма V - Р). По осі абсцис відкладені обсяги циліндра, по осі ординат - тиску в циліндрі. Перший такт є ізотермічним III, другий відбувається при постійному обсязі II-III, третій - ізотермічний III-IV, четвертий - при постійному обсязі IV-I. Так як тиск під час розширення гарячого газу (III-IV) більше тиску під час стиснення холодного газу (III), то робота розширення більше роботи стиснення. Корисну роботу циклу можна графічно зобразити у вигляді криволінійного чотирикутника III-III-IV.
У дійсному процесі поршень і витіснювач рухаються безперервно, так як вони пов'язані з кривошипно-шатунним механізмом, тому діаграма дійсного циклу округлена (рис. 3, б).
Теоретичний к. П. Д. Двигуна стірлінга становить 70%. Дослідження показали, що на практиці можна отримати к. П. Д., Що дорівнює 50%. Це значно більше, ніж у найкращих газових турбін (28%), бензинових двигунів (30%) і дизелів (40%).
Стірлінг може працювати на бензині, гасі, дизельному, газоподібному і навіть твердому паливі. У порівнянні з іншими двигунами, він має більш м'який і майже безшумний хід. Пояснюється це низьким ступенем стиснення (1,3 ÷ 1,5), до того ж тиск в циліндрі підвищується плавно, а не вибухом. Відпрацьовані гази також випускаються без Шума, так як згорання відбувається постійно. У них порівняно небагато токсичних складових, тому що горіння палива відбувається безперервно і при постійному надлишку кисню (α \u003d 1,3).
Стірлінг з ромбічної передачею повністю урівноважений, в ньому не виникає вібрацій. Це якість, зокрема, було враховано американськими інженерами, що встановили одноциліндровий стірлінг на штучному супутнику Землі, де навіть невелика вібрація і неврівноваженість можуть привести до втрати орієнтації.
Одним із проблемних питань залишається охолодження. В Стірлінг з випускними газами відводиться тільки 9% тепла, одержуваного від палива, тому, наприклад, при установці його на автомобілі довелося б робити радіатор приблизно в 2,5 рази більше, ніж при використанні бензинового двигуна тієї ж потужності. Завдання вирішується простіше на суднових установках, де ефективне охолодження забезпечується необмеженою кількістю забортної води.
На рис. 4 показаний розріз двоциліндрового катерного двигуна Філіпс потужністю 115 л. с. при 3000 об / хв з горизонтальним розташуванням циліндрів. Загальний робочий об'єм кожного циліндра 263 см 3. Поршні, розташовані опозитно, з'єднані з двома траверсами, що дозволило повністю врівноважити газові сили і обійтися без буферних обсягів. Підігрівач виконаний з трубок, що оточують камеру згоряння, за якими проходить робочий газ. Охолоджувачем служить трубчастий холодильник, через який прокачується забортної вода. Двигун має два колінчастих вала, З'єднаних з гребним валом за допомогою черв'ячних передач. Висота двигуна всього 500 мм, що дозволяє встановити його під настилом і таким чином зменшити розміри машинного відсіку.
Потужність стірлінга регулюється в основному зміною тиску робочого газу. Одночасно, щоб підтримувати температуру підігрівача постійної, регулюється і подача палива. Для двигуна зовнішнього згоряння придатні практично будь-які джерела тепла. Важливо, що він може перетворювати в корисну роботу низькотемпературну енергію, на що не здатні двигуни внутрішнього згоряння. З кривої на рис. 5 видно, що при температурі підігрівача всього 350 ° С к. П. Д. Стірлінга ще дорівнює ≈ 20%.
Стірлінг економічний - питома витрата палива у нього складає всього 150 г / л. с. година. В енергетичній установці «двигун стірлінг- акумулятор тепла», що використовується на американських супутниках Землі, тепловим акумулятором служить гідро літію, який поглинає тепло в період «освітлення» і Віддає його Стірлінга, коли супутник знаходиться на тіньовій стороні Землі. На супутнику двигун служить для приводу генератора потужністю 3 квт при 2400 об / хв.
Створено досвідчений моторолер з Стірлінгом і акумулятором тепла. Використання акумулятора тепла і стірлінга на підводному човні дозволяє їй в кілька разів довше йти в зануреному положенні.
література
- 1. Смирнов Г. В. Двигуни зовнішнього згорання. «Знання», М., 1967.
- 2. Dr. Ir. R. I. Meijer. Der Philips - Stirlingmotor, MTZ, N 7, 1968.
- 3. Curtis Anthony. Hot air and the wind of change. The Stirling engine and its revival. Motor (Engl.), 1969, (135), N 3488.
