Двигатели внешнего сгорания принцип работы: Видео: Как работает двигатель внешнего сгорания

Содержание

Двигатель внешнего сгорания. Старый, но не забытый. | РетроТехника. Просто о сложном.

Двигатель Стирлинга.

Двигатель Стирлинга.

Все мы привыкли к словосочетанию «Двигатель внутреннего сгорания«. Его вполне можно назвать устойчивым, ведь когда мы его произносим, слышим или читаем, то не воспринимаем эти слова по отдельности, только вместе. То же можно сказать об электро двигателе. А вот Двигатель внешнего сгорания сразу создаёт диссонанс в нашем сознании. Мы просто спотыкаемся и заостряем внимание на этих трёх словах, особенно на том, что в середине. Слишком оно выпячивается и не вписывается в привычный смысл… Но такой двигатель существует!
Расскажу о своём первом впечатлении от встречи с ним. Не с самим двигателем в натуре, а об его упоминании в печатном издании. Это была, как не странно, Литературная газета. Я был ещё совсем молодым человеком, выпускником технического ВУЗа, и большим любителем новинок различной техники, которая как-то вдруг стала активно появляться и развиваться семимильными шагами. Этот процесс был запущен гораздо раньше, но я стал активно интересоваться им в середине 70-х годов. Просто, в силу своего возраста. До этого у меня были другие интересы. Основные взгляды на технику я черпал из журналов «Изобретатель и рационализатор»,»Радио», «Моделист-конструктор», «Юный Моделист-конструктор», «Техника молодёжи», «Юный техник» … Эти издания выписывал мой отец, и я их тоже любил и читал. Но вот о Двигателе внешнего сгорания ничего не знал. А тут, в Литературке появилась о нём статья с свете развития космических технологий. Это вообще уникальная газета для того времени. Она была еженедельной и появлялась в киосках «Союзпечать» по средам. Стоила 15 копеек, что гораздо дороже обычных газет (от 2-х до 5 копеек), но она была «толстая» — целых 16 страниц, и тематически охватывала очень большой объём информации от юмора, литературы и искусства до политики, науки, техники и ещё очень много интересных тем. Поэтому, по средам у газетных киосков собиралась приличная очередь из самой разнообразной «публики» разных социальных, возрастных, профессиональных и прочих слоёв советского общества. И вот, именно в ней и была та статья, где описывалось устройство и принцип работы двигателя внешнего сгорания. Точно не помню, но это было в конце 70-х – начале 80-х годов. Как сейчас помню, мы с семьёй пошли в кино и я по дороге купил Литературку. Пока ждали начала сеанса, я наткнулся на эту статью, но дочитать не успел и весь фильм ждал окончания, чтобы прочитать до конца… Не судите за длинное вступление. Просто хочется передать ту атмосферу и чувства молодого механика, который набрёл на такой интересный материал. Позднее я встречал статьи на эту тему и в других источниках, но первое впечатление было очень сильным.
Теперь немного о принципе работы и конструкции этого замечательного агрегата. Он до безобразия прост! Самое простое объяснение его работы — это пример с бутылкой, закрытой обычной пробкой. Если мы погрузим её дном в горячую воду, то воздух внутри нагреется и его давление возрастёт. В какой-то момент его хватит для того, чтобы вытолкнуть пробку из горлышка. А если сделать вместо пробки трубку с поршнем, то он сдвинется до уравновешивания давления внутри и снаружи бутылки, и только тогда остановится. То есть произведена работа — движение поршня. Если прекратить нагрев, воздух охладится и снова снова сожмётся, поршень втянется обратно… Если к поршню через шатун присоединить маховик, то можно подобрать его длину так, что маховик провернётся на пол оборота, а по инерции даже немного больше. Чтобы его вращение продолжилось, воздух должен остыть, потом снова нагреться и так далее. А чтобы это происходило автоматически, рядом был сделан ещё один цилиндр с поршнем и его тоже соединили шатуном с тем же маховиком. Только второй цилиндр не нагревался, а охлаждался. Внутренние полости обоих цилиндров соединены между собой, например, трубкой. Когда в первом цилиндре воздух нагревается и расширяется, поршень двигается, крутит маховик и перегоняет воздух за поршнем в другой цилиндр, где он охлаждается… В первом цилиндре поршень не очень плотно подогнан к цилиндру и воздух подмешивается к нагретому, а за счёт инерции маховика и охлаждения (и сжатия) воздуха во втором (с плотно подогнанным поршнем), движение продолжается и двигатель работает дальше. Просто вначале, при нагреве, необходим дополнительный импульс для раскручивания маховика. Чем больше разница температур нагретого и охлаждённого цилиндров, тем большая мощность будет выработана двигателем. Эта схема двигателя была придумана и запатентована шотландским священником Робертом Стирлингом в 1816 году, хотя сам принцип работы воздушного двигателя был известен гораздо ранее.
Схема, которую я описа́л, так и называется — Двигатель Стирлинга. Он придумал несколько вариантов подобных двигателей, которые отличались разным исполнением цилиндро-поршневой системы, где мог быть один общий цилиндр с разными поршнями в горячей и холодной зоне, Первый опи́санный вариант он назвал Альфа, второй (с одним цилиндром) — Бета, а третий (с двумя цилиндрами и дополнительным промежуточным охладителем, который назвали Регенератором) — Гамма.
Не буду отбирать «хлеб» у тех, кто уже очень подробно описа́л все эти конструкции, лишь приведу небольшую галерею рисунков и фотографий, найденных на просторах сервиса Яндекс-картинок.

Двигатель Стирлинга вариант Альфа.Двигатель Стирлинга вариант Бета.Двигатель Стирлинга вариант Гамма.

Двигатель Стирлинга вариант Альфа.

Основное отличие Двигателя внешнего сгорания от внутреннего — это бо́льший КПД и тихая работа. Ведь в нём не происходит никаких взрывных, детонационных и выхлопных процессов, стука клапанов и прочих шумов, присущих бензиновым и дизельным двигателям. От парового двигателя он также отличается гораздо бо́льшим КПД и отсутствием шума, а главное — в нём нет взрывоопасных областей высокого давления, при мощности, зависящей только от разности температур горячей и холодной зон. Для сравнения — если КПД Парового двигателя в паровозе — Менее 15 %, КПД двигателей внутреннего сгорания достигает показателей от 25 % у бензиновых до 40 % у дизельных, то у двигателей внешнего сгорания он может достигать 50-ти, а по некоторым источникам 70 % и более при использовании современной керамики. При этом нужно использовать не просто воздух, а специальные газовые смеси на основе гелия и водорода, они имеют повышенную теплоёмкость и практически удваивают обороты и мощность двигателя. Расход этих газов минимален, и зависит только от качества уплотнительных соединений двигателя. Могут так же использоваться сжиженные газы или вода (пар).
Это видео я нашёл на канале U-Tube. Здесь прекрасно видно, что при внешнем нагреве двигатель работает, как бы сам по себе. Никаких сложных карбюраторов, клапанов и свечей зажигания… Или форсунок и топливных насосов… Простое нагревание и толчёк маховика… А главное — нечему ломаться или засоряться. Пока шарниры и уплотнения не износятся и не заклинят, он будет работать!

Область применения у Двигателей внешнего сгорания может быть очень обширная. Для нагрева рабочей части возможно использовать всё, что горит или нагревает. Любые горючие отходы, тепло солнца, подземные источники тепла, биогазы в сельском хозяйстве и прочее. .. Представьте себе космический корабль или станцию, на которой одна сторона двигателя нагревается солнцем, а другая охлаждается космическим холодом. Перепад огромный и двигатель может работать годами и преобразовывать механическую энергию в электрическую. Или подводную лодку. Тепла вырабатывается много, и его приходится отводить наружу, холодная вода — прекрасный охладитель для низкотемпературной области двигателя… Областей применения не счесть. Основной недостаток — это габариты и вес такого двигателя, а также смазка внутренних трущихся поверхностей. Но при современных конструкционных материалах эти показатели существенно улучшаются. К тому же эти двигатели совсем не нуждаются в обслуживании. Они остаются работоспособными весь заранее известный период времени — ресурс. А он весьма велик.

Современных схем Двигателей внешнего сгорания существует довольно много. Они бывают многоцилиндровые со сложным распредвалом, с несколькими цилиндрами, расположенными по кругу; роторные двигатели с выдвижными лопостями и переменным профилем цилиндра; конструкции с регенераторами газовых смесей и прочими премудростями.

Схема роторного двигателя внешнего сгорания.Схема роторного двигателя внешнего сгорания с выдвижными лопастями.Схема роторного двигателя внешнего сгорания с одной подвижной лопастью.

Схема роторного двигателя внешнего сгорания.

А ещё двигатель Стирлинга может работать «наоборот» — при внешнем вращении маховика, он работает на охлаждение применяемого газа, то есть , как холодильник! И весьма эффективный. При таком использовании, температуру рабочего тела удавалось понизить до минус 190° C, что позволяет их применять для сжижения газа.
Очень многие специалисты считают, что будущее именно за этими двигателями. Но так считают уже на протяжении всего времени с изобретения и существования Двигателя внешнего сгорания. К сожалению, тем, от кого это зависит, выгодно использовать дорогие источники энергии. Что взять с двигателя, который работает сам по себе? От этого выиграет потребитель, а они как бы и ни причём… Хочется надеяться, что это замечательная конструкция всё же займёт своё заслуженное место в нашей жизни. Лично меня не интересует благосостояние олигархов, наживающихся на нас, простых людях.

Заранее предупреждаю критиков — эта статья, в основном, посвящена моему впечатлению от этой конструкции и её популяризации. Подробную информацию об этих двигателях можно в изобилии найти в сети. Чем больше будет о них информации, тем ближе критическая точка неприятия её нашими и ненашими властьимущими, теми, кто влияет на внедрение технологий в нашу с Вами борьбу за выживание.

С Андрианов.

Двигатель внешнего сгорания принцип. Двигатель внутреннего сгорания

В двигателях внешнего сгорания процесс сжигания топлива и источник теплового воздействия отделены от рабочей установки. К данной категории обычно относят паровые и газовые турбины, а также двигатели Стирлинга. Первые прототипы подобных установок были сконструированы более двух веков назад и применялись на протяжении почти всего XIX столетия.

Когда для бурно развивающейся промышленности понадобились мощные и экономичные энергетические установки, конструкторы придумали замену взрывоопасным паровым двигателям, где рабочим телом был находящийся под большим давлением пар. Так появились двигатели внешнего сгорания, получившие распространение уже в начале XIX столетия. Только через несколько десятков лет им на смену пришли двигатели внутреннего сгорания. Стоили они существенно дешевле, что и их широкое распространение.

Но сегодня конструкторы все пристальнее присматриваются к вышедшим из широкого употребления двигателям внешнего сгорания. Это объясняется их преимуществами. Главное достоинство состоит в том, что такие установки не нуждаются в хорошо очищенном и дорогом топливе.

Двигатели внешнего сгорания неприхотливы, хотя до сих пор их постройка и обслуживание обходятся достаточно дорого.

Двигатель Стирлинга

Один из самых известных представителей семейства двигателей внешнего сгорания – машина Стирлинга. Она была придумана в 1816 году, неоднократно совершенствовалась, но впоследствии на долгое время была незаслуженно забыта. Теперь же двигатель Стирлинга получил второе рождение. Его с успехом используют даже при освоении космического пространства.

Работа машины Стирлинга основана на замкнутом термодинамическом цикле. Периодические процессы сжатия и расширения здесь идут при разных температурах. Управление рабочим потоком происходит посредством изменения его объема.

Двигатель Стирлинга может работать в качестве теплового насоса, генератора давления, устройства для охлаждения.

В данном двигателе при низкой температуре идет сжатие газа, а при высокой – его расширение. Периодическое изменение параметров происходит за счет использования особого поршня, имеющего функцию вытеснителя. Тепло к рабочему телу при этом подводится с внешней стороны, через стенку цилиндра. Эта особенность и дает право

Несмотря на свои высокие показатели, современный двигатель внутреннего сгорания начинает устаревать. Его к. п. д. достиг, пожалуй, своего предела. Шум, вибрация, отравляющие воздух газы и другие присущие ему недостатки заставляют ученых искать новые решения, пересматривать возможности давно «забытых» циклов.

Одним из «возрожденных» двигателей является стирлинг.

Еще в 1816 г. шотландский священник и ученый Роберт Стирлинг запатентовал двигатель, в котором топливо и воздух, поступающие в зону горения, никогда не попадают внутрь цилиндра. Они, сгорая, лишь нагревают находящийся в нем рабочий газ. Это и дало основание назвать изобретение Стирлинга двигателем внешнего сгорания.

Роберт Стирлинг построил несколько двигателей; последний из них имел мощность 45 л. с. и проработал на шахте в Англии более трех лет (до 1847 г.). Эти двигатели были очень тяжелыми, занимали много места и внешне напоминали паровые машины.

Для мореплавания двигатели внешнего сгорания впервые были применены в 1851 г. шведом Джоном Эриксоном. Построенное им судно «Эриксон» благополучно пересекло Атлантический океан из Америки в Англию с силовой установкой, состоявшей из четырех двигателей внешнего сгорания. В век паровых машин это было сенсацией. Однако силовая установка Эриксона развивала всего 300 л. с.

, а не 1000, как ожидалось. Двигатели имели огромные размеры (диаметр цилиндра 4,2 м, ход поршня 1,8 м). Расход угля получился не меньше, чем у паровых машин. Когда судно пришло в Англию, оказалось, что двигатели не пригодны для дальнейшей эксплуатации, так как у них прогорели днища цилиндров. Чтобы вернуться в Америку, пришлось заменить двигатели обычной паровой машиной. На обратном пути судно попало в аварию и затонуло со всем экипажем.

Маломощные двигатели внешнего сгорания в конце прошлого века применялись в домах для перекачивания воды, в типографиях, на промышленных предприятиях, в том числе на петербургском заводе Нобеля (ныне «Русский дизель»), Устанавливались они и на мелких судах. Стирлинги выпускались во многих странах, в том числе в России, где они назывались «тепло и сила». Ценили их за бесшумность и безопасность работы, чем они выгодно отличались от паровых машин.

С развитием двигателей внутреннего сгорания о стирлингах забыли. В энциклопедическом словаре Брокгауэа и Эфрона о них написано следующее: «Безопасность от взрывов составляет главную выгодную сторону калорических машин, благодаря которой они могут опять войти в употребление, если найдут для их построения и смазки новые материалы, лучше выдерживающие высокую температуру».

Дело заключалось, однако, не только в отсутствии соответствующих материалов. Еще оставались неизвестными современные принципы термодинамики, в частности эквивалентность тепла и работы, без чего невозможно было определить наивыгоднейшие соотношения основных элементов двигателя. Теплообменники делали с малой поверхностью, из-за чего двигатели работали при непомерно высоких температурах и быстро выходили из строя.

Попытки усовершенствовать Стирлинг были предприняты после второй мировой войны. Наиболее существенные из них заключались в том, что рабочий газ стали применять сжатым до 100 атм и использовать не воздух, а водород, имеющий более высокий коэффициент теплопроводности, низкую вязкость и, кроме того, не окисляющий смазки.

Устройство двигателя внешнего сгорания в его современном виде схематически показано на рис. 1. В закрытом с одной стороны цилиндре находятся два поршня. Верхний — поршень-в ы тесните ль служит для ускорения процесса периодического нагрева и охлаждения рабочего газа. Он представляет собой полый закрытый цилиндр из нержавеющей стали, плохо проводящий тепло, и перемещается под действием штока, связанного с кривошипно-шатунным механизмом.

Нижний поршень — рабочий (на рисунке показан в сечении). Он передает усилие на кривошипно-шатунный механизм через полый шток, внутри которого проходит шток вытеснителя. Рабочий поршень снабжен уплотняющими кольцами.

Под рабочим поршнем имеется буферная емкость, образующая подушку, выполняющую функцию маховика — сглаживать неравномерность крутящего момента благодаря отбору части энергии во время рабочего хода и отдаче ее на вал двигателя во время хода сжатия. Для изоляции объема цилиндра от окружающего пространства служат уплотнения типа «заворачивающийся чулок». Это резиновые трубки, прикрепленные одним концом к штоку, а другим к корпусу.

Верхняя часть цилиндра соприкасается с подогревателем, а нижняя — с холодильником. Соответственно в нем выделяются «горячий» и «холодный» объемы, свободно сообщающиеся между собой посредством трубопровода, в котором находится регенератор (теплообменник).

Регенератор заполнен путанкой из проволоки малого диаметра (0,2 мм) и обладает высокой теплоемкостью (например, к. п. д. регенераторов фирмы Филипе превышает 95%).

Рабочий процесс двигателя Стирлинга может быть осуществлен и без вытеснителя, на основе применения золотникового распределителя рабочего заряда.

В нижней части двигателя расположен кривошипно-шатунный механизм, служащий для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала. Особенностью этого механизма является наличие двух коленчатых валов, соединенных двумя шестернями со спиральными зубьями, вращающимися навстречу друг другу. Шток вытеснителя связан с коленчатыми валами посредством нижнего коромысла и прицепных шатунов. Шток рабочего поршня соединяется с коленчатыми валами через верхнее коромысло и прицепные шатуны. Система одинаковых шатунов образует подвижный деформируемый ромб, откуда и название этой передачи — ромбическая. Ромбическая передача обеспечивает необходимый сдвиг фаз при движении поршней.

Она полностью уравновешена, в ней не возникают боковые усилия на штоки поршней.

В пространстве, ограниченном, рабочим поршнем, находится рабочий газ — водород или гелий. Полный объем газа в цилиндре не зависит от положения вытеснителя. Изменения объема, связанные со сжатием и расширением рабочего газа, происходят за счет перемещения рабочего поршня.

При работе двигателя верхняя часть цилиндра постоянно нагревается, например, от камеры сгорания, в которую впрыскивается жидкое топливо. Нижняя часть цилиндра постоянно охлаждается, например, холодной водой, прокачиваемой через водяную рубашку, окружающую цилиндр. Замкнутый цикл Стирлинга состоит из четырех тактов, изображенных на рис. 2.

Такт I — охлаждение . Рабочий поршень находится в крайнем нижнем положении, вытеснитель движется вверх. При этом рабочий газ перетекает из «горячего» объема над вытеснителем в «холодный» объем под ним. Проходя по пути через регенератор, рабочий газ отдает ему часть своего тепла, а затем охлаждается в «холодном» объеме.

Такт II — сжатие . Вытеснитель остается в верхнем положении, рабочий поршень движется вверх, сжимая рабочий газ при низкой температуре.

Такт III — нагревание . Рабочий поршень находится в верхнем положении, вытеснитель движется вниз. При этом сжатый холодный рабочий газ устремляется из-под вытеснителя в освобождающееся пространство над ним. По дороге рабочий газ проходит через регенератор, где предварительно подогревается, попадает в «горячую» полость цилиндра и нагревается еще сильнее.

Такт IV — расширение (рабочий ход) . Нагреваясь, рабочий газ расширяется, передвигая при этом вытеснитель и вместе с ним рабочий поршень вниз. Совершается полезная работа.

Стирлинг имеет замкнутый цилиндр. На рис. 3, а показана диаграмма теоретического цикла (диаграмма V — Р). По оси абсцисс отложены объемы цилиндра, по оси ординат — давления в цилиндре. Первый такт является изотермическим I-II, второй происходит при постоянном объеме II-III, третий — изотермический III-IV, четвертый — при постоянном объеме IV-I. Так как давление во время расширения горячего газа (III-IV) больше давления во время сжатия холодного газа (I-II), то работа расширения больше работы сжатия. Полезную работу цикла можно графически изобразить в виде криволинейного четырехугольника I-II-III-IV.

В действительном процессе поршень и вытеснитель движутся непрерывно, так как они связаны с кривошипно-шатунным механизмом, поэтому диаграмма действительного цикла скруглена (рис. 3, б).

Теоретический к. п. д. двигателя стирлинга составляет 70%. Исследования показали, что на практике можно получить к. п. д., равный 50%. Это значительно больше, чем у самых лучших газовых турбин (28%), бензиновых двигателей (30%) и дизелей (40%).


Стирлинг может работать на бензине, керосине, дизельном, газообразном и даже твердом топливе. По сравнению с другими двигателями, он имеет более мягкий и почти бесшумный ход. Объясняется это низкой степенью сжатия (1,3÷1,5), к тому же давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом. Продукты сгорания также выпускаются без Шума, так как сгорание происходит постоянно. В них сравнительно немного токсичных составляющих, потому что горение топлива происходит непрерывно и при постоянном избытке кислорода (α=1,3).

Стирлинг с ромбической передачей полностью уравновешен, в нем не возникает вибраций. Это качество, в частности, было учтено американскими инженерами, установившими одноцилиндровый стирлинг на искусственном спутнике Земли, где даже небольшая вибрация и неуравновешенность могут привести к потере ориентации.

Одним из проблемных вопросов остается охлаждение. В стирлинге с выпускными газами отводится только 9% тепла, получаемого от топлива, поэтому, например, при установке его на автомобиле пришлось бы делать радиатор примерно в 2,5 раза больше, чем при использовании бензинового двигателя той же мощности. Задача решается проще на судовых установках, где эффективное охлаждение обеспечивается неограниченным количеством забортной воды.


На рис. 4 показан разрез двухцилиндрового катерного двигателя Филипс мощностью 115 л. с. при 3000 об/мин с горизонтальным расположением цилиндров. Общий рабочий объем каждого цилиндра 263 см 3 . Поршни, расположенные оппозитно, соединены с двумя траверсами, что позволило полностью уравновесить газовые силы и обойтись без буферных объемов. Подогреватель выполнен из трубок, окружающих камеру сгорания, по которым проходит рабочий газ. Охладителем служит трубчатый холодильник, через который прокачивается забортная вода. Двигатель имеет два коленчатых вала, соединенных с гребным валом посредством червячных передач. Высота двигателя всего 500 мм, что позволяет установить его под настилом и таким образом уменьшить размеры машинного отсека.

Мощность стирлинга регулируется в основном изменением давления рабочего газа. Одновременно, чтобы поддерживать температуру подогревателя постоянной, регулируется и подача топлива. Для двигателя внешнего сгорания пригодны практически любые источники тепла. Важно, что он может превращать в полезную работу низкотемпературную энергию, на что не способны двигатели внутреннего сгорания. Из кривой на рис. 5 видно, что при температуре подогревателя всего 350° С к. п. д. стирлинга еще равен ≈ 20%.

Стирлинг экономичен — удельный расход топлива у него составляет всего 150 г/л. с. час. В энергетической установке «двигатель стирлинг- аккумулятор тепла», использующейся на американских спутниках Земли, тепловым аккумулятором служит гидрит лития, который поглощает тепло в период «освещения» и Отдает его стирлингу, когда спутник находится на теневой стороне Земли. На спутнике двигатель служит для привода генератора мощностью 3 квт при 2400 об/мин.

Создан опытный мотороллер со Стирлингом и аккумулятором тепла. Использование аккумулятора тепла и стирлинга на подводной лодке позволяет ей в несколько раз дольше идти в погруженном положении.

Литература

  • 1. Смирнов Г. В. Двигатели внешнего сгорания. «Знание», 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.

Двигатель Стирлинга, принцип работы которого качественно отличается от привычного для всех ДВС, когда-то составлял последнему достойную конкуренцию. Однако на какое-то время о нем забыли. Как этот мотор используется сегодня, в чем заключается принцип его действия (в статье можно найти также чертежи двигателя Стирлинга, наглядно демонстрирующие его работу), и каковы перспективы применения в будущем, читайте ниже.

История

В 1816 году в Шотландии Робертом Стирлингом была запатентована названная сегодня в честь своего изобретателя. Первые двигатели горячего воздуха были изобретены еще до него. Но Стирлинг добавил в устройство очиститель, который в технической литературе называется регенератором, или теплообменником. Благодаря ему производительность мотора возрастала при удерживании агрегата в тепле.

Двигатель признали наиболее прочной паровой машиной из имеющихся на тот момент, так как он никогда не взрывался. До него на других моторах такая проблема возникала часто. Несмотря на быстрый успех, в начале двадцатого столетия от его развития отказались, так как он стал менее экономичным, по сравнению с появившимися тогда другими двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями. Однако Стирлинг еще продолжал применяться в некоторых производствах.

Двигатель внешнего сгорания

Принцип работы всех тепловых моторов заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии необходимы большие механические усилия, чем при сжатии холодного. Для наглядной демонстрации этого можно провести опыт с двумя кастрюлями, наполненными холодной и горячей водой, а также бутылкой. Последнюю опускают в холодную воду, затыкают пробкой, затем переносят в горячую. При этом газ в бутылке начнет выполнять механическую работу и вытолкнет пробку. Первый двигатель внешнего сгорания основывался на этом процессе полностью. Правда, позже изобретатель понял, что часть тепла можно применять для подогрева. Таким образом, производительность значительно возросла. Но даже это не помогло двигателю стать распространенным.

Позже Эриксон, инженер из Швеции, усовершенствовал конструкцию, предложив охлаждать и нагревать газ при постоянном давлении вместо объема. В результате немало экземпляров стало использоваться для работы в шахтах, на судах и в типографиях. Но для экипажей они оказались слишком тяжелыми.

Двигатели внешнего сгорания от Philips

Подобные моторы бывают следующих типов:

  • паровой;
  • паротурбинный;
  • Стирлинга.

Последний вид не стали развивать из-за небольшой надежности и остальных не самых высоких показателей по сравнению с появившимися другими типами агрегатов. Однако в 1938 году компания Philips возобновила работу. Двигатели стали служить для приводов генераторов в неэлектрофицированных районах. В 1945 году инженеры компании нашли им обратное применение: если вал раскручивать электромотором, то охлаждение головки цилиндров доходит до минус ста девяносто градусов по Цельсию. Тогда решено было применять в холодильных установках усовершенствованный двигатель Стирлинга.

Принцип работы

Действие мотора заключается в работе по термодинамическим циклам, в которых при разной температуре происходит сжатие и расширение. При этом регулирование потоком рабочего тела реализуется за счет изменяющегося объема (или давления — в зависимости от модели). Таков принцип работы большинства подобных машин, которые могут иметь разные функции и конструктивные схемы. Двигатели могут быть поршневыми или роторными. Машины с их установками работают в качестве тепловых насосов, холодильников, генераторов давления и так далее.

Помимо этого, есть моторы с открытым циклом, где регулирование потоком реализуется посредством клапанов. Именно их называют двигателями Эриксона, кроме общего названия имени Стирлинга. В ДВС полезная работа осуществляется после предварительного сжатия воздуха, впрыска топлива, нагрева полученной смеси вперемешку со сгоранием и расширения.

Двигатель Стирлинга принцип работы имеет такой же: при низкой температуре происходит сжатие, а при высокой — расширение. Но по-разному осуществляется нагрев: тепло подводится через стенку цилиндра извне. Поэтому он и получил название двигателя внешнего сгорания. Стирлинг применял периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Последний перемещает газ с одной полости цилиндра в другую. С одной стороны, температура постоянно низкая, а с другой — высокая. При передвижении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость, а вниз — возвращается в горячую. Сначала газ отдает много тепла холодильнику, а затем от нагревателя получает столько же, сколько отдал. Между нагревателем и холодильником размещается регенератор — полость, наполненная материалом, которому газ отдает тепло. При обратном течении регенератор возвращает его.

Система вытеснителя соединена с рабочим поршнем, сжимающим газ в холоде и позволяющим расширяться в тепле. За счет сжатия в более низкой температуре происходит полезная работа. Вся система проходит четыре цикла при прерывистых движениях. Кривошипно-шатунный механизм при этом обеспечивает непрерывность. Поэтому резких границ между стадиями цикла не наблюдается, а Стирлинга не уменьшается.

Учитывая все вышесказанное, напрашивается вывод, что этот двигатель является поршневой машиной с внешним подводом тепла, где рабочее тело не покидает замкнутое пространство и не заменяется. Чертежи двигателя Стирлинга хорошо иллюстрируют устройство и принцип его действия.

Детали работы

Солнце, электричество, ядерная энергия или любой другой источник тепла может подводить энергию в двигатель Стирлинга. Принцип работы его тела заключается в применении гелия, водорода или воздуха. Идеальный цикл обладает термическим максимально возможным КПД, равным от тридцати до сорока процентов. Но с эффективным регенератором он сможет работать и с более высоким КПД. Регенерацию, нагрев и охлаждение обеспечивают встроенные теплообменники, работающие без масел. Следует отметить, что смазки двигателю нужно очень мало. Среднее давление в цилиндре составляет обычно от 10 до 20 МПа. Поэтому здесь требуется отличная уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Сравнительная характеристика

В большинстве работающих сегодня двигателей подобного рода используется жидкое топливо. При этом непрерывное давление легко контролировать, что способствует снижению уровня выбросов. Отсутствие клапанов обеспечивает бесшумную работу. Мощность с массой сопоставимы моторам с турбонаддувом, а удельная мощность, получаемая на выходе, равна показателю дизельного агрегата. Скорость и крутящий момент не зависят друг от друга.

Затраты на производство двигателя гораздо выше, чем на ДВС. Но при эксплуатации получается обратный показатель.

Преимущества

Любая модель двигателя Стирлинга имеет много плюсов:

  • КПД при современном проектировании может доходить до семидесяти процентов.
  • В двигателе нет системы высоковольтного зажигания, распределительного вала и клапанов. Его не нужно будет регулировать в течение всего срока эксплуатации.
  • В Стирлингах нет того взрыва, как в ДВС, который сильно нагружает коленвал, подшипники и шатуны.
  • В них не бывает того эффекта, когда говорят, что «двигатель заглох».
  • Благодаря простоте прибора его можно эксплуатировать в течение длительного времени.
  • Он может работать как на дровах, так и с ядерным и любым другим видом топлива.
  • Сгорание происходит вне мотора.

Недостатки

Применение

В настоящее время двигатель Стирлинга с генератором используют во многих областях. Это универсальный источник электрической энергии в холодильниках, насосах, на подводных лодках и солнечных электрических станциях. Именно благодаря применению различного вида топлива имеется возможность его широкого использования.

Возрождение

Эти двигатели снова стали развиваться благодаря компании Philips. В середине двадцатого века с ней заключила договор General Motors. Она вела разработки для применения Стирлингов в космических и подводных устройствах, на судах и автомобилях. Вслед за ними другая компания из Швеции, United Stirling, стала заниматься их развитием, включая и возможное использование на

Сегодня линейный двигатель Стирлинга применяется на установках подводных, космических и солнечных аппаратов. Большой интерес к нему вызван из-за актуальности вопросов ухудшения экологической обстановки, а также борьбы с шумом. В Канаде и США, Германии и Франции, а также Японии идут активные поиски по развитию и совершенствованию его использования.

Будущее

Явные преимущества, которые имеет поршневой и Стирлинга, заключающиеся в большом ресурсе работы, применении разного топлива, бесшумности и малой токсичности, делают его очень перспективным на фоне мотора внутреннего сгорания. Однако с учетом того, что ДВС на протяжении всего времени совершенствовали, он не может быть легко смещен. Так или иначе, именно такой двигатель сегодня занимает лидирующие позиции, и сдавать их в ближайшее время не намерен.

Двигатели внешнего сгорания стали использоваться тогда, когда людям потребовался мощный и экономичный источник энергии. До этого использовались паровые установки, однако они были взрывоопасными, так как использовали горячий пар под давлением. В начале 19 века им на смену пришли устройства с внешним сгоранием, а еще через несколько десятков лет были изобретены уже привычные приборы с внутренним сгоранием.

Происхождение устройств

В 19 веке человечество столкнулось с проблемой, которая заключалась в том, что паровые котлы слишком часто взрывались, а также имели серьезные конструктивные недостатки, что делало их использование нежелательным. Выход был найден в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Эти устройства можно также называть «двигателями горячего воздуха», которые применялись еще в 17 веке, однако этот человек добавил к изобретению очиститель, называющийся в настоящее время регенератором. Таким образом, двигатель внешнего сгорания Стирлинга был способен сильно повысить производительность установки, так как он сохранял тепло в теплой рабочей зоне, в то время как рабочее тело охлаждалось. Из-за этого эффективность работы всей системы была значительно увеличена.

В то время изобретение использовалось достаточно широко и находилось на подъеме своей популярности, однако со временем его перестали использовать, и о нем забыли. На смену оборудованию внешнего сгорания пришли паровые установки и двигатели, но уже привычные, с внутренним сгоранием. Вновь о них вспомнили лишь в 20 веке.

Работа установки

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в том, что в нем постоянно чередуются два этапа: нагревание и охлаждение рабочего тела в замкнутом пространстве и получение энергии. Данная энергия возникает из-за того, что постоянно изменяется объем рабочего тела.

Чаще всего рабочим веществом в таких устройствах становится воздух, однако возможно использование еще и гелия или водорода. В то время пока изобретение находилось на стадии разработки, в качестве опытов использовались такие вещества, как двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан. В некоторых образцах пытались применять даже обычную воду. Стоит отметить, что двигатель внешнего сгорания, который запускали с водой в качестве рабочего вещества, отличался тем, что у него была достаточно высокая удельная мощность, высокое давление, а сам он был достаточно компактным.

Первый тип двигателя. «Альфа»

Первой моделью, которая использовалась, стала «Альфа» Стирлинга. Особенность его конструкции состоит в том, что она имеет два силовых поршня, находящихся в разных в раздельных цилиндрах. Один из них имел достаточно высокую температуру и был горячим, другой, наоборот, холодным. Внутри теплообменника с высокой температурой располагалась горячая пара цилиндр-поршень. Холодная пара находилась внутри теплообменника с низкой температурой.

Основными преимуществами теплового двигателя внешнего сгорания стало то, что они имели высокую мощность и объем. Однако температура горячей пары при этом была слишком велика. Из-за этого возникали некоторые технические трудности в процессе изготовления таких изобретений. Регенератор данного устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.

Второй образец. «Бета»

Вторым образцом стала модель «Бета» Стирлинга. Основное конструктивное отличие заключалось в том, что имелся лишь один цилиндр. Один из его концов выполнял роль горячей пары, а другой конец оставался холодным. Внутри данного цилиндра перемещался поршень, с которого можно снимать мощность. Также внутри имелся вытеснитель, который отвечал за изменение объема горячей рабочей зоны. В данном оборудовании использовался газ, который перекачивался из холодной зоны в горячую через регенератор. Этот вид двигателя внешнего сгорания обладал регенератором в виде внешнего теплообменника или же совмещался с поршнем-вытеснителем.

Последняя модель. «Гамма»

Последней разновидностью данного двигателя стала «Гамма» Стирлинга. Этот тип отличался не только наличием поршня, а также вытеснителя, а еще и тем, что в его конструкцию входили уже два цилиндра. Как и в первом случае один из них был холодным и использовался он для отбора мощности. А вот второй цилиндр, как в предыдущем случае, был холодным с одного конца и горячим с другого. Здесь же перемещался вытеснитель. В поршневом двигателе внешнего сгорания также имелся регенератор, который мог быть двух типов. В первом случае он был внешним и соединял между собой такие конструктивные части, как горячую зону цилиндра с холодной, а также с первым цилиндром. Второй тип — это внутренний регенератор. Если использовался этот вариант, то он входил в конструкцию вытеснителя.

Использование Стирлингов обосновано в том случае, если необходим простой и небольшой преобразователь тепловой энергии. Также его можно использовать в том случае, если разница температур недостаточно велика, чтобы использовать газовые или же паровые турбины. Стоит отметить, что на сегодняшний день такие образцы стали использоваться чаще. К примеру, используются автономные модели для туристов, которые способны работать от газовой конфорки.

Применение устройств в настоящее время

Казалось бы, что такое старое изобретение не может использоваться в наши дни, однако это не так. NASA заказало двигатель внешнего сгорания типа Стирлинга, однако в качестве рабочего вещества должны использоваться ядерные и радиоизотопные источники тепла. Кроме этого, он также успешно может быть использован в следующих целях:

  • Использовать такую модель двигателя для перекачки жидкости гораздо проще, чем обычный насос. Во многом это благодаря тому, что в качестве поршня можно применять саму перекачиваемую жидкость. Кроме того, она же и будет охлаждать рабочее тело. К примеру, такой вид «насоса» можно использовать, чтобы накачивать воду в ирригационные каналы, используя для этого солнечное тепло.
  • Некоторые изготовители холодильников склоняются к установке таких устройств. Стоимость продукции удастся снизить, а в качестве хладагента можно применять обычный воздух.
  • Если совместить двигатель внешнего сгорания этого типа с тепловым насосом, то можно оптимизировать работу тепловой сети в доме.
  • Довольно успешно Стирлинги используются на подводных лодках ВМС Швеции. Дело в том, что двигатель работает на жидком кислороде, который впоследствии используется для дыхания. Для подводной лодки это очень важно. К тому же такое оборудование обладает достаточно низким уровнем шума. Конечно, агрегат достаточно большой и требует охлаждения, но именно эти два фактора несущественны, если речь идет о подводной лодке.

Преимущества использования двигателя

Если во время конструирования и сборки применить современные методы, то удастся поднять коэффициент полезного действия двигателя внешнего сгорания до 70%. Использование таких образцов сопровождается следующими положительными качествами:

  • Удивительно, однако крутящий момент в таком изобретении практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала.
  • В данном силовом агрегате отсутствуют такие элементы, как система зажигания и клапанная система. Также здесь отсутствует распредвал.
  • Достаточно удобно то, что на протяжении всего периода использования не потребуется проводить регулировку и настройку оборудования.
  • Данные модели двигателя не способны «заглохнуть». Простейшая конструкция аппарата позволяет использовать его достаточно продолжительное время в полностью автономном режиме.
  • В качестве источника энергии можно использовать практически все, начиная от дров и заканчивая урановым топливом.
  • Естественно, что в двигателе внешнего сгорания процесс сжигания веществ осуществляется снаружи. Это способствует тому, что топливо дожигается в полном объеме, а количество токсических выбросов минимизируется.

Недостатки

Естественно, что любое изобретение не лишено недостатков. Если говорить о минусах таких двигателей, то они заключаются в следующем:

  1. Из-за того что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод получаемого тепла происходит через стенки радиатора. Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
  2. Материалоемкость. Для того чтобы создать компактную и эффективную модель двигателя Стирлинг, необходимо иметь качественную жаропрочную сталь, которая сможет выдержать большое давление и высокую температуру. Кроме того, должна быть низкая теплопроводность.
  3. В качестве смазки придется покупать специальное средство, так как обычное коксуется при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
  4. Для получения достаточно высокой удельной мощности придется использовать либо водород, либо гелий в качестве рабочего вещества.

Водород и гелий в качестве топлива

Получение высокой мощности, конечно же, необходимо, однако нужно понимать, что использование водорода или гелия достаточно опасно. Водород, к примеру, сам по себе достаточно взрывоопасен, а при высоких температурах он создает соединения, которые называются металлогидритами. Это происходит, когда водород растворяется в металле. Другими словами, он способен разрушить цилиндр изнутри.

Кроме того, и водород, и гелий — это летучие вещества, которые характеризуются высокой проникающей способностью. Если говорить проще, то они достаточно легко просачиваются сквозь практически любые уплотнения. А потери вещества означают потери в рабочем давлении.

Роторный двигатель внешнего сгорания

Сердце такой машины — это роторная машина расширения. Для двигателей с внешним типом сгорания этот элемент представлен в виде полого цилиндра, который с обеих сторон прикрыт крышками. Сам по себе ротор имеет вид колеса, который посажен на вал. Также у него имеется определенное количество П-образных выдвигающихся пластин. Для их выдвижения используется специальное выдвижное устройство.

Двигатель внешнего сгорания Лукьянова

Юрий Лукьянов — это научный сотрудник Псковского политехнического института. Он уже достаточно давно занимается разработкой новых моделей двигателей. Ученый старался сделать так, чтобы в новых моделях отсутствовали такие элементы, как коробка передач, распредвал и выхлопная труба. Основной недостаток устройств Стирлинга заключался в том, что они имели слишком большие габариты. Именно этот недостаток ученому и удалось устранить за счет того, что лопасти были заменены на поршни. Это помогло уменьшить размер всей конструкции в несколько раз. Некоторые говорят о том, что можно сделать двигатель внешнего сгорания своими руками.

Двигатели внешнего сгорания

Важным элементом реализации программы энергосбережения является обеспечение автономными источниками электроэнергии и тепла небольших жилых образований и удаленных от централизованных сетей потребителей. Для решения этих задач как нельзя лучше подходят инновационные установки для генерации электроэнергии и тепла на основе двигателей внешнего сгорания. В качестве топлива может использоваться как традиционные виды топлива, так и попутный нефтяной газ, биогаз, получаемый из древесных стружек и пр.

На протяжении последних 10 лет отмечались повышения цен на ископаемое топливо, повышенное внимание к выбросам СО 2 , а также растущее желание перестать зависеть от ископаемого топлива и полностью обеспечивать себя энергией. Это стало следствием развития огромного рынка технологий, способных производить энергию из биомассы.

Двигатели внешнего сгорания были изобретены почти 200 лет тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей. Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале 18-го века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.

Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине 18-го века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.

После изобретения двигателя внутреннего сгорания в конце 18-го века рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания в сравнении со стоимостью производства внешнего сгорания ниже. Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2, топливо. Однако, до недавнего времени стоимость ископаемого топлива была низкой, а выбросам СО2 не уделялось должного внимания.

Принцип работы двигателя внешнего сгорания

В отличие от широко известного процесса внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания, приводится в действие внешним источником тепла. Или, точнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми внешними источниками нагревания и охлаждения.

Этими внешними источниками нагревания и охлаждения могут служить отработанные газы биомассы и охлаждающая вода соответственно. Процесс приводит к вращению генератора, монтированного на двигателе, посредством чего производится энергия.

Все двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие разностями температур. Бензиновые, дизельные двигатели и двигатели внешнего сгорания основаны на той особенности, что для сжатия холодного воздуха необходимо меньше усилий, чем для сжатия горячего воздуха.

Бензиновые и дизельные двигатели всасывают холодный воздух и сжимают этот воздух, прежде чем он подогревается в процессе внутреннего сгорания, который происходит внутри цилиндра. После подогревания воздуха над поршнем поршень перемещается вниз, посредством чего воздух расширяется. Так как воздух горячий, сила, действующая на шток поршня, велика. Когда поршень доходит до низа, клапаны открываются и горячие выхлопы заменяются новым, свежим, холодным воздухом. При движении поршня вверх холодный воздух сжимается, причем сила, действующая на шток поршня, меньше, чем при его движении вниз.

Двигатель внешнего сгорания работает в соответствии с немного другим принципом. В нем нет клапанов, он герметически запаян, а воздух подогревается и охлаждается при помощи теплообменных аппаратов горячего и холодного контура. Встроенный насос, приводимый в действие движением поршня, обеспечивает движение воздуха туда и обратно между этими двумя теплообменными аппаратами. Во время охлаждения воздуха в теплообменном аппарате холодного контура поршень сжимает воздух.

После сжатия воздух затем подогревается в теплообменном аппарате горячего контура, прежде чем поршень начинает двигаться в обратном направлении и использовать расширение горячего воздуха для приведения в действие двигателя.

Двигатель внешнего сгорания — это… Что такое Двигатель внешнего сгорания?

Статья состоит из словарного определения термина. Пожалуйста, доработайте статью, приведя ее в соответствие с правилами. Подробности могут быть на странице обсуждения. В Википедии статьи, состоящие только из словарного определения, не приветствуются, их следует попытаться улучшить или выставить к удалению.
Кроме того, статью можно перенести в Викисловарь. Информация о самом слове, его значении, этимологии и употреблении, будет весьма ценным дополнением для Викисловаря.

Дви́гатели вне́шнего сгора́ния — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела.

К этому классу относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, газовые турбины внешнего сгорания, а также другие типы двигателей. Двигатели внешнего сгорания были изобретены почти 200 лет тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей. Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале 19-го века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.

Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине 19-го века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.

После изобретения двигателя внутреннего сгорания в конце 19-го века рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания в сравнении со стоимостью производства внешнего сгорания ниже. Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2, топливо. Однако, до недавнего времени стоимость ископаемого топлива была низкой, а выбросам СО2 не уделялось должного внимания. Принцип работы двигателя внешнего сгорания

В отличие от широко известного процесса внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания, приводится в действие внешним источником тепла. Или, точнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми внешними источниками нагревания и охлаждения.

Этими внешними источниками нагревания и охлаждения могут служить отработанные газы биомассы и охлаждающая вода соответственно. Процесс приводит к вращению генератора, монтированного на двигателе, посредством чего производится энергия.

Все двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие разностями температур. Бензиновые, дизельные двигатели и двигатели внешнего сгорания основаны на той особенности, что для сжатия холодного воздуха необходимо меньше усилий, чем для сжатия горячего воздуха.

Бензиновые и дизельные двигатели всасывают холодный воздух и сжимают этот воздух, прежде чем он подогревается в процессе внутреннего сгорания, который происходит внутри цилиндра. После подогревания воздуха над поршнем поршень перемещается вниз, посредством чего воздух расширяется. Так как воздух горячий, сила, действующая на шток поршня, велика. Когда поршень доходит до низа, клапаны открываются и горячие выхлопы заменяются новым, свежим, холодным воздухом. При движении поршня вверх холодный воздух сжимается, причем сила, действующая на шток поршня, меньше, чем при его движении вниз.

Двигатель внешнего сгорания работает в соответствии с немного другим принципом. В нем нет клапанов, он герметически запаян, а воздух подогревается и охлаждается при помощи теплообменных аппаратов горячего и холодного контура. Встроенный насос, приводимый в действие движением поршня, обеспечивает движение воздуха туда и обратно между этими двумя теплообменными аппаратами. Во время охлаждения воздуха в теплообменном аппарате холодного контура поршень сжимает воздух.

После сжатия воздух затем подогревается в теплообменном аппарате горячего контура, прежде чем поршень начинает двигаться в обратном направлении и использовать расширение горячего воздуха для приведения в действие двигателя.

Литература

  • «Двигатели внешнего сгорания», Г. В. Смирнов. Новое в жизни, науке, технике: Серия: Промышленность, 1967, М. — Знание. [1]

Читать онлайн — Бреусов В. Принцип работы двигателя внешнего сгорания


Паровая машина
Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Музей индустриальной культуры. Нюрнберг
Медиафайлы на Викискладе

Парова́я маши́на
— тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле
паровая машина
— любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.

Первая паровая машина была построена в XVII веке французским физиком Папеном и представляла собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.

В России первая действующая паровая машина была построена в 1766 году по проекту Ивана Ползунова, предложенному им в 1763 году. Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно, и все действия в ней проходили автоматически. Но увидеть своё изобретение в работе И. И. Ползунову не пришлось: он умер 27 мая 1766 года, а его машина пущена в эксплуатацию на Барнаульском заводе только летом[1]. Через пару месяцев из-за поломки она перестала действовать и впоследствии была демонтирована.

Содержание

  • 1 Принцип действия 1.1 Коэффициент полезного действия
  • 1.2 Преимущества и недостатки
  • 2 Изобретение и развитие
  • 3 Классификация
  • 4 Паровые машины с возвратно-поступательным движением
      4.1 Вакуумные машины
  • 4.2 Паровые машины высокого давления 4.2.1 Паровые машины двойного действия
  • 5 Парораспределение
  • 5.2 Опережение
  • 5.3 Простое расширение
  • 5.4 Компаунд
  • 5.5 Множественное расширение
  • 5.6 Прямоточные паровые машины
  • 6 Паровые турбины
  • 7 Другие типы паровых двигателей
  • 8 Применение
      8.1 Нетрадиционные машины
  • 9 Примечания
  • 10 Литература
  • 11 Ссылки
  • Конфигурация

    Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных вида:

    • α-Стирлинг
      — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах, один — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, с холодным — в более холодном. У данного вида двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические трудности. Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.
    • β-Стирлинг
      — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, разделяющий горячую и холодную 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.
    • γ-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 вида:

    • 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, так как двигатель роторный)[1].
    • Термоакустический двигатель Стирлинга — вместо использования поршня-вытеснителя, рабочее тело движется между горячей и холодной полости за счёт явлений акустического резонанса. Такая схема позволяет уменьшить количество движущихся частей, но возникают сложности с поддержанием акустического резонанса, а также со снятием мощности.

    Принцип действия

    Схема паровой машины тандем: 1 — поршень, 2 — поршневой шток, 3 — ползун, 4 — шатун, 5 — кривошип, 6 — движение эксцентрикового клапана, 7 — маховик, 8 — скользящий клапан, 9 — центробежный регулятор Схема работы паровой машины двойного действия
    Для работы паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям.

    Принцип действия поршневой паровой машины показан на иллюстрации. Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование

    , показано на рисунке), или момент отсечки наполнения (
    количественное регулирование
    ).

    Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения, что показано кривыми зависимости давления p

    от объёма
    V
    указанных полостей. Эти кривые образуют замкнутую линию в соответствии с тепловым циклом, по которому работает паровая машина между давлениями
    p1
    и
    p2
    , а также объёмами
    V1
    и
    V2
    . Первичный поршневой двигатель предназначен для преобразования потенциальной тепловой энергии (давления) водяного пара в механическую работу. Рабочий процесс паровой машины обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях её цилиндра, объём которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня. Пар, поступающий в цилиндр паровой машины расширяется и перемещает поршень. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма во вращательное движение вала. Впуск и выпуск пара осуществляются системой парораспределения. Для снижения тепловых потерь цилиндры паровой машины окружаются паровой рубашкой.

    Моменты начала и конца процессов расширения и сжатия пара дают четыре основные точки реального цикла паровой машины: объём Ve

    , определяемый точкой 1 начала или предварения впуска; объём конца впуска или наполнения
    Е
    , определяемый точкой 2 отсечки наполнения; объём предварения выпуска или конца расширения
    Va
    , определяемый точкой 3 предварения выпуска; объём сжатия
    Vc
    , определяемый точкой 4 начала сжатия. В реальной паровой машине перечисленные объёмы фиксируются парораспределительными органами.

    Коэффициент полезного действия

    Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла.

    КПД тепловой машины равен:

    η t h = W o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}={\frac {W_{out}}{Q_{in}}}} ,

    где Wout — механическая работа, Дж; Qin — затраченное количество теплоты, Дж.

    Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передаётся от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):

    η t h ≤ 1 − T 2 T 1 {\displaystyle \eta _{th}\leq 1-{\frac {T_{2}}{T_{1}}}}

    Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД в 30—42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать КПД в 50—60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.

    Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.

    Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т. н. температурный напор). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.

    У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении, конкретно — при давлении поступающего из котла пара. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют около 1 °C. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100 °C.

    Преимущества и недостатки

    В этом разделе не хватает ссылок на источники информации.

    Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 29 октября 2014 года

    .

    Основным преимуществом паровых машин, как двигателей внешнего сгорания, в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива (источник тепла) — от кизяка до цепной реакции деления урана.

    Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового океана на разных глубинах.

    Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

    Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает, а, наоборот, возрастает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки и Китая, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

    В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60 % меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию[уточнить

    ]. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными тепловозами и электровозами[
    уточнить
    ].

    Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог.

    Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

    Важным преимуществом поршневых паровых двигателей является сохранение максимального крутящего момента на любых оборотах, вплоть до самых минимальных. Это даёт паровым транспортным средствам динамику, недостижимую для нормальных средств с ДВС — преодоление уклонов на любой скорости, чрезвычайно медленный ход, плавный ход без рывков и т. д., а безрельсовым обеспечивает исключительную проходимость по бездорожью, несклонность к пробуксовке.

    Благодаря высокому крутящему моменту поршневые паровые двигатели так же не нуждаются в коробке скоростей и понижающем редукторе, передавая усилие непосредственно на колёса или на дифференциал ведущего моста.

    Простота устройства, щадящий температурный режим и низкие обороты, характерные для поршневых паровых двигателей, значительно повышают их ресурс, что обеспечивает им высокую надёжность и долговечность.

    Поршневая паровая машина способна длительно выдерживать высокие перегрузки (до 100 %), на что ДВС неспособны.

    Поршневая паровая машина не требует поддержания оборотов на холостом ходу и расходует пар строго пропорционально нагрузке, что значительно улучшает её экономичность. В современных автоматизированных котлах высокого давления подача топлива может отключаться сколь угодно часто, как только расход пара прекращается, а повторный пуск происходит практически мгновенно.

    Поршневая паровая машина почти бесшумна.

    Сжигание топлива в специальной камере при нормальном давлении позволяет провести полное окисление без образования токсичных продуктов. Использование геотермальной энергии, энергии солнца или других естественных источников может сделать паровую машину полностью экологически чистой. В результате экологический потенциал паровых машин гораздо выше, чем у двигателей внутреннего сгорания.

    История


    Роберт Стирлинг
    Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление узла, который он назвал «эконом».

    В современной научной литературе этот узел называется «регенератор». Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего регенератор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло регенератору, а при движении в другую сторону отбирает его. Регенератор может быть внешним по отношению к цилиндрам, а может быть размещён на поршне-вытеснителе в β- и γ-конфигурациях. В последнем случае размеры и вес машины оказываются меньше. Частично роль регенератора выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра (при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются значительные потери из-за вязкости газа). В α-стирлинге регенератор может быть только внешним. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

    В 1843 году его брат, Джеймс Стирлинг, использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

    Недостатки

    Отрывок, характеризующий Двигатель внешнего сгорания

    Назначено было торжественное заседание ложи 2 го градуса, в которой Пьер обещал сообщить то, что он имеет передать петербургским братьям от высших руководителей ордена. Заседание было полно. После обыкновенных обрядов Пьер встал и начал свою речь. – Любезные братья, – начал он, краснея и запинаясь и держа в руке написанную речь. – Недостаточно блюсти в тиши ложи наши таинства – нужно действовать… действовать. Мы находимся в усыплении, а нам нужно действовать. – Пьер взял свою тетрадь и начал читать. «Для распространения чистой истины и доставления торжества добродетели, читал он, должны мы очистить людей от предрассудков, распространить правила, сообразные с духом времени, принять на себя воспитание юношества, соединиться неразрывными узами с умнейшими людьми, смело и вместе благоразумно преодолевать суеверие, неверие и глупость, образовать из преданных нам людей, связанных между собою единством цели и имеющих власть и силу. «Для достижения сей цели должно доставить добродетели перевес над пороком, должно стараться, чтобы честный человек обретал еще в сем мире вечную награду за свои добродетели. Но в сих великих намерениях препятствуют нам весьма много – нынешние политические учреждения. Что же делать при таковом положении вещей? Благоприятствовать ли революциям, всё ниспровергнуть, изгнать силу силой?… Нет, мы весьма далеки от того. Всякая насильственная реформа достойна порицания, потому что ни мало не исправит зла, пока люди остаются таковы, каковы они есть, и потому что мудрость не имеет нужды в насилии. «Весь план ордена должен быть основан на том, чтоб образовать людей твердых, добродетельных и связанных единством убеждения, убеждения, состоящего в том, чтобы везде и всеми силами преследовать порок и глупость и покровительствовать таланты и добродетель: извлекать из праха людей достойных, присоединяя их к нашему братству. Тогда только орден наш будет иметь власть – нечувствительно вязать руки покровителям беспорядка и управлять ими так, чтоб они того не примечали. Одним словом, надобно учредить всеобщий владычествующий образ правления, который распространялся бы над целым светом, не разрушая гражданских уз, и при коем все прочие правления могли бы продолжаться обыкновенным своим порядком и делать всё, кроме того только, что препятствует великой цели нашего ордена, то есть доставлению добродетели торжества над пороком. Сию цель предполагало само христианство. Оно учило людей быть мудрыми и добрыми, и для собственной своей выгоды следовать примеру и наставлениям лучших и мудрейших человеков.

    Энергетическое образование

    2. Двигатели внешнего сгорания

    В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объём. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объёмах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик. Теоретически он должен раза в 2 превышать КПД для ДВС, а практически — это примерно одинаковые величины. Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований в этом направлении.

    Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

    Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. В ряде экспериментальных образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и вода. В последнем случае вода остаётся в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла. Особенностью стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления.

    При нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

    Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга. 1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам). 2. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру. 3. Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз. 4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

    Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого двигатель стирлинга устанавливается в фокус параболического зеркала, (похожего по форме на спутниковую антенну) таким образом, чтобы область нагрева была постоянно освещена. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

    В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга.

    Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы большой мощности — до 150 кВт на одно зеркало. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию.

    Солнечные коллекторы.

    Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)

    Артикул: 00-00007079

    в желания В наличии

    Автор: Мышинский Э.Л., Рыжков-Дудонов М.А.

    Место издания: Ленинград

    Год: 1976

    Формат: 60×90/16 (~145х215 мм)

    Переплет: Мягкая обложка

    Страниц: 76

    Вес: 120 г

    С этим товаром покупают

    Читать онлайн / Скачать/полистать/читать on-line

    Читать on-line книгу «Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)» Мышинский Э.Л., Рыжков-Дудонов М.А. на полный экран

    В брошюре изложены принципы работы поршневого двигателя внешнего сгорания, особенности его термодинамического цикла. Рассмотрены основные конструктивно-компоновочные схемы, а также нагрузочные, экономические и виброакустические характеристики на установившихся и динамических режимах работы.
    Особое внимание уделено судовым энергетическим установкам, созданным на основе двигателей внешнего сгорания, сделан анализ их преимуществ перед установками других типов, определены рациональные области их применения.
    Рассмотрены последние достижения в исследовательских и конструкторских работах зарубежных форм, связанных с созданием двигателей внешнего сгорания различного применения.
    Совокупность приведенных в книге материалов позволяет читателю получить наиболее полное представление об основных особенностях, состоянии развития и перспективах энергетических установок с двигателями внешнего сгорания.
    Круг читателей: инженеры и научные работники, занимающиеся исследованиями в области судовой энергетики и созданием транспортных двигателей.

    Оглавление
    Предисловие
    Глава I. Общие понятия о поршневых двигателях внешнего сгорания
    § 1. Термодинамический цикл
    § 2. Принцип действия
    § 3. Преимущества двигателя внешнего сгорания. Область целесообразного применения в судостроении
    Глава II. Конструкции поршневых двигателей внешнего сгорания
    § 4. Классификация конструкций
    § 5. Основные компоновочные схемы
    § 6. Механизмы передачи движения
    § 7. Уплотнение рабочего контура
    § 8. Нагреватель
    § 9. Регенератор
    § 10. Тепловые трубы
    § 11. Система внешнего сгорания
    Глава III. Характеристики двигателей внешнего сгорания
    § 12. Система регулирования мощности
    § 13. Нагрузочные и скоростные характеристики
    § 14. Токсичность выпускных газов
    § 15. Уровни вибрации и шума
    Глава IV. Судовые энергетические установки с двигателями внешнего сгорания
    § 16. Установки малых катеров
    § 17. Зарубежные установки подводного хода с использованием углеводородного топлива и кислорода
    § 18. Установки, использующие водород в качестве топлива
    § 19. Зарубежные установки подводного хода с тепловыми аккумуляторами
    § 20. Зарубежные установки подводного хода с окислением металлов
    § 21. Судовые холодильные установки, работающие по циклу Стирлинга
    Заключение
    Приложение
    Указатель литературы

    Двигатели внешнего сгорания — Энциклопедия по машиностроению XXL

    В последние годы стали разрабатываться газообразные поршневые двигатели, в которых продукты сгорания выполняют функции источника теплоты, а рабочим телом является газ (наиболее подходящий по своим термодинамическим свойствам), циркулирующий в замкнутом контуре. Идея подобного двигателя внешнего сгорания была высказана еще Р. Стирлингом в 1817 г.  [c.540]
    Форсаж путем изменения способа работы ПЭ при том же ИЭ позволяет увеличить расход последнего. По конечному результату этот метод подобен первому, однако техническое осуществление его другое. Практически этот метод применим лишь к ДВС, которое можно конвертировать в двигатель внешнего сгорания с поршневой РМ, добавив форсажную камеру сгорания. При этом возникает ряд конструктивно-технологических проблем конденсация паров воды в картере, приводящая к разжижению смазки и увеличению износа, влияние необычно большого вредного пространства в РМ и др.  [c.89]

    Двигатели внешнего сгорания  [c.77]

    Двигатели, в которых сгорание топлива осуществляется с внешней стороны цилиндра, содержащего замкнутую газовую систему и механические поршни, носят название двигателей внешнего сгорания. Этот тип двигателя сегодня приобретает важное значение, поскольку он, как и газовая турбина замкнутого цикла, позволяет снизить до минимума или даже совсем исключить вредные выбросы продуктов сгорания. Более того, термический КПД двигателя внешнего сгорания равен КПД цикла Карно.  [c.77]

    Двигатель внешнего сгорания был изобретен еще в 1816 г., но, несмотря на высокий  [c.77]

    КПД, ОН оказался значительно более громоздким и тяжелым, чем другие двигатели той же мощности. В результате он не выдерживал конкуренции с изобретенными позже турбинами и две. Некоторые европейские фирмы вновь заинтересовались идеей двигателя внешнего сгорания после второй мировой войны. Успехи в области технологии конструкционных материалов позволили сделать двигатель экономичным, компактным и бесшумным. Учитывая возросший интерес к двигателю внешнего сгорания, рассмотрим принцип его работы и применимость в качестве источника энергии.  [c.78]

    Хотя рабочий цикл реального двигателя внешнего сгорания отличается от идеализированного цикла, можно получить очень высокий КПД. Двигатель внешнего сгорания имеет и еще ряд преимуществ. Поскольку процесс горения топлива (в автомобильном двигателе внешнего сгорания) идет непрерывно, а не вспышками как в ДВС, и при атмосферном давлении, а цилиндры хорошо сбалансированы, вибрация и шум практически отсутствуют. Двигатель можно использовать фактически без глушителя. Автобус с двигателем внешнего сгорания легко удовлетворяет нормам по шуму тех европейских стран, где эти нормы существуют. Выше уже упоминалось о преимуществах применения двигателя внешнего сгорания для уменьшения вредных выбросов. В нем в принципе может быть использован  [c.78]


    Как мы уже говорили, изобретение № 166202 еще не осуществлено в металле. Но изобретатели успели подметить некоторые его слабые стороны и нашли способ их устранить. Дело в том, что газовая постоянная увеличивается не только при нагреве перед турбиной в результате диссоциации, но и при сжатии в компрессоре. Газа как бы становится больше, и на его сжатие приходится затрачивать больше работы. При расширении в турбине — картина обратная. Эти обстоятельства несколько снижают к.п.д. двигателя. Чтобы избавиться от таких нежелательных явлений, нужно весь процесс сжатия и расширения тоже производить при постоянной температуре, изотермически. Но как раз так и происходит в двигателе внешнего сгорания—двигателе Стирлинга. Поэтому именно в нем целесообразнее всего использовать диссоциирующее рабочее тело, например треххлористый алюминий или смесь метана с углекислым газом (авторское свидетельство № 213039).  [c.274]

    Хотя двигатель Стирлинга и получает энергию извне, его нельзя с достаточной строгостью назвать двигателем внешнего сгорания, поскольку любой источник тепла с подходящей температурой, например сфокусированная солнечная энергия, аккумулированная тепловая энергия, тепловая энергия, выделяющаяся при горении металла, ядерная энергия и т. п., может быть использован для этой цели. В настоящее время в большинстве установок с двигателями Стирлинга применяется жидкое топливо из-за простоты его использования и из-за требований, обусловленных конкретным назначением установки. При использовании системы сгорания для нагрева рабочего тела применяют непрерывный процесс горения, что позволяет сжигать различные виды топлива, которые эффективно сгорают, не создавая опасности попадания твердых частиц из топлива, окислителя или окружающего пространства в рабочие цилиндры. При использовании для сжигания жидких топлив непрерывное горение можно легко регулировать, в результате чего снижается уровень выбросов, особенно несгоревших углеводородов и окиси углерода, однако, чтобы понизить содержание окислов азота, необходимы дополнительные меры.  [c.19]

    Воздушно-реактивный двигатель внешнего сгорания……………………95  [c.10]

    С одинаковым успехом может быть сделан так называемый двигатель внешнего сгорания.  [c.53]

    Прошу выдать мне авторское свидетельство на предлагаемое мною изобретение воздушно-реактивного двигателя внешнего сгорания.  [c.95]

    Воздушно-реактивный двигатель внешнего сгорания  [c.95]

    Конструкция воздушно-реактивного двигателя внешнего сгорания очень проста.  [c.95]

    Предлагается новый двигатель — воздушно-реактивный двигатель внешнего сгорания. Двигатель не имеет камеры сгорания и представляет собой крыло самолета с расположенными в нем форсунками и свечами (у передней кромки крыла). Сгорание происходит вне крыла, в наружном воздухе, вблизи критической точки.  [c.98]

    Тепловые двигатели, в которых сгорание топлива происходит вне двигателя, называются двигателями внешнего сгорания. К таким двигателям относятся паровой поршневой двигатель и паровая турбина. В этих двигателях горение топлива происходит в топке парового котла.  [c.5]

    Паровая турбина, так же как и паровой поршневой двигатель, является двигателем внешнего сгорания. В ней, как и в паровом поршневом двигателе, сгорание топлива происходит вне самого двигателя, в специальном паровом котле.  [c.7]

    Таким образом, принципиальное отличие двигателя внутреннего сгорания от двигателей внешнего сгорания (парового поршневого двигателя и паровой  [c.8]

    Двигатель Стирлинга представляет собой поршневой двигатель внешнего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела. Подобно всем тепловым машинам он имеет высокотемпературный и низкотемпературный теплообменники. Тепловая труба может быть использована для передачи теплоты от единого источника к отдельным цилиндрам многоцилиндрового двигателя. Тепловые трубы могут быть также использованы для передачи отводимой теплоты радиатору. Идеальный цикл Стирлинга изображен на рис. 7-15.  [c.232]


    Интересно отметить, что вначале подобная машина предназначалась фирмой Филипс для получения работы, т. е. использовалась в качестве теплового двигателя внешнего сгорания. Тепло к нему подводилось потоком горячего газа (продуктов сгорания), который обогревал ребристую поверхность головки машины.  [c.157]

    Тепловые двигатели принято. делить на две группы двигатели внешнего сгорания и двигатели внутреннего сгорания.  [c.29]

    Двигателями внешнего сгорания называются тепловые двигатели, в которых сгорание топлива происходит вне двигателя.  [c.29]

    В тепловом двигателе внешнего сгорания в качестве теплоносителя (рабочего тела, выполняющего непосредственную работу в машине) используется водяной пар. Водяной пар получают в котле от теплоты сжигаемого топлива в топке (или реакторе атомных электростанций). Этот пар, называемый сырым, имеющий низкую температуру, равную температуре воды котла, при соприкосновении с холодными стенками машины интенсивно охлаждается и конденсируется, теряя давление. Это состояние называется мятием пара. Машины, работающие на сыром паре, имеют низкий КПД. Чтобы уменьшить эффект мятия, пар нагревают в пароперегревателе до температуры 300…600°С. Такие параметры пара приемлемы для работы паровых машин — поршневых или лопаточных (турбин). Поршневые машины применяются на паровозах и пароходах. Лопаточные двигатели применяются на тепловых и атомных электростанциях в качестве двигателей турбогенераторов.  [c.130]

    Какие существуют тепловые двигатели внешнего сгорания и где они применяются  [c.147]

    Нечувствительность к пыли окружающего пространства. Так как двигагель Стирлинга — двигатель внешнего сгорания, то пыль, попадающая в воздушный заряд камеры сгорания из окружающего пространства, не поступает в цилиндры и картер (в двигателе Стирлинга вентиляция картера не требуется). Вследствие этого в двигателе Стирлинга отсутствует дополнительный абразивный износ движущихся деталей механизма привода. Кроме того, из-за малой скорости движения воздушного заряда и отработавших тазов в рекуперативном теплообменнике  [c.130]

    К внешним силам, например, относятся давление рабочей смеси (газа или жидкости) на поршень кривошипно-ползунного механизма двигателя внутреннего сгорания, парового двигателя, компрессора, вращающий момент, развиваемый электродвигателем на валу рабочего механизма, и др. Некоторые силы возникают в результате движения механизма. К этим силам, например, относятся силы трения при движении, силы сопротивления среды и т. д. Некоторые силы, как, например, динамические реакции в кинематических парах, возникают при движении вследствие инерции звеньев.  [c.204]

    Анализ такого цикла с точки зрения теории тепловых процессов невозможен, а поэтому термодинамика исследует не реальные процессы двигателей внутреннего сгорания, а идеальные, обратимые циклы. В качестве рабочего тела принимают идеальный газ с постоянной теплоемкостью. Цилиндр заполнен постоянным количеством рабочего тела. Разность температур между источником теплоты и рабочим телом бесконечно малая. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива. То же необходимо сказать и об отводе теплоты.  [c.262]

    Примерами адиабатных процессов могут служить процессы сжатия воздуха в цилиндре воздушного огнива, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. В соответствии с первым законом термодинамики, при адиабатном сжатии изменение внутренней энергии газа Д1/ равно работе внешних сил А  [c.100]

    Каждая деталь машины в отдельности является системой материальных точек — телом, а машина в целом представляет собой материальную систему, состоящую из абсолютно твердых тел. При таком понимании материальной системы силы, действующие в системе, могут быть одновременно внешними и внутренними в зависимости от того, движение каких тел рассматривается. Например, сила, действующая на поршень двигателя внутреннего сгорания от давления газов, при рассмотрении кривошипно-шатунного механизма или машины в целом является внутренней силой, а при рассмотрении отдельно шатуна как материальной системы считается внешней. Для двигателя в целом внешней силой является сила полезного сопротивления того механизма или машины, для приведения в действие которых предназначен двигатель, например электрогенератора, компрессора, гребного винта и т. д.  [c.174]

    Термомеханические ХПЭ. По месту горения их разделяют на три группы двигатели внешнего сгорания (ДВшС), двигатели внутреннего сгорания (ДВС), двигатели смешанного сгорания (ДСС). Их термодинамические циклы можно обобщить в единый термомеханический цикл.  [c.141]

    В 1816 г. шотландский священник Р. Стирлинг получает патент на универсальную тепловую машину, состоящую из цилиндра с двумя по ршнями и регенератора-теп-лообмевни ка, способную работать на разных топливах как двигатель внешнего сгорания, как холодильник и как тепловой насос (отопитель). Низкий уровень науки и техники не позволил тогда создать высокоэффективные конструкции Стирлингов , однако в наше время этой машине сулят большое будущее.  [c.95]

    Влияние две на окружаюигую среду огромно. По имеющимся оценкам в г. Лос-Анджелесе (США) в 1968 г. автомобили выбрасывали в атмосферу только за один день 1700 т углеводородов, 9500 т СО и 620 т NO,. Борьба с вредными выбросами ведется по трем направлениям усовершенствование технологии топлива, технологии двигателей и технологии очистки выхлопных газов. По-видимому, к ним следует добавить четвертое — правильная текущая эксплуатация и контроль за состоянием автомобилей. Необходимо убрать с дорог устаревшие, работаюише на пределе автомобили, что явится существенным шагом на пути снижения уровня вредных выбросов. Проблема эмиссии требует системного подхода, направленного на улучшение всех компонентов. В будущем возможно настанет момент, когда усовершенствование ДВС достигнет своего предела и потребуется замена ДВС другими двигательными установками. Ряд автомобилестроительных фирм уже занимался или занимается поиском таких решений. В качестве альтернативы рассматриваются паровые и газовые турбины, двигатели внешнего сгорания и электрические двигатели, работающие от аккумуляторных батарей.  [c.70]


    Цикл Стирлинга, теоретически описывающий процессы, протекающие в реальном двигателе внешнего сгорания, включает (рис. 4.24) изотермическое сжатие а—Ь, подвод теплоты в нзохорном процессе Ь—с, расширение по изотерме с—d и еще один изохорный процесс d—а, замыкающий цикл.  [c.78]

    Характеристика Двигатель внешнего сгорания Гене- зис-1 Дизель-ныП двигатель Усовер- шенство- ванный двигатель внешнего сгорания  [c.79]

    Основным слабым местои двигателя внешнего сгорания является конструкция нагреваемой стенки цилиндра. Именно по этой причине такой двигатель начинает внедряться только сейчас, когда благодаря достижениям в металлургии созданы материалы, выдерживающие длительную работу при высоких температурах.  [c.79]

    Такой двигатель называется двигателем внутреннего сгорания, потому что топливо сгорает внутри него. В двигателях внешнего сгорания, таких, как паровой поршневой двигатель, тсхтливо сгорает снаружи, при этом нагревая воду, благодаря чему создается давление пара, приводящее в движение поршень.  [c.8]

    Целью принятой в 1977 г. Министерством энергетики США программы по двигателям внешнего сгорания являлось определение возможностей использования в двигателях Стирлинга мощностью от 370 до 1480 кВт эффективных способов нагрева рабочего тела продуктами сгорания угля и других альтернативных топлив, включая городские, промышленные и сельскохозяйственные отходы. Руководство за осуществление этой программой было возложено на Аргоннскую национальную лабораторию (шт. Иллинойс),.  [c.14]

    В 1978 г. Министерство энергетики США начало работу над Проектом двигателя внешнего сгорания , которым руководит Аргоннская национальная лаборатория Чикагского университета (шт. Иллинойс). В рамках этого проекта будут исследованы возможности создания электрогенераторов с двигателями Стирлинга мощностью от 500 до 2000 кВт для модульного применения в тех случаях, когда имеются в наличии горючие отходы однако их количества недостаточно, чтобы заменить ими сооружение полномасштабной паротурбинной электростанции, работающей по циклу Ренкина в базовом режиме нагрузки. Но существуют тысячи небольших населенных пунктов, подпадающих под эту категорию. Публикация целей проекта привлекла к себе более 60 фирм США. Ожидается, что принятие условий подряда, последующие эскизные проекты и создание прототипов послужат импульсом для разработки новых, ранее не рассматриваемых схем двигателей, которые могут быть особенно приемлемы для больших двигателей Стирлинга.  [c.368]

    Сварочные генераторы. Это специальные генераторы постоянного тока, внешняя характеристика которых позволяет получать устойчивое горение дуги, что достигается изменением магнитного потока генератора в зависимости от сварочного тока. Сварочный генератор постоянного тока состоит из статора с магнитными полюсами и якоря с обмоткой и коллекторами. При работе генератора якорь вращается в магнитном поле, создаваемом полюсами статора. Обмотка якоря пересекает магнитные линии полюсов генератора, и поэтому в витках обмотки возникает переменный ток, который с помощью коллектора преобразуется в постоянный. -Вращение якоря сварочного генератора обеспечивается в сварочных преобразователях электродвигателем, а в сварочных агрегатах — двигателем внутреннего сгорания. К коллектору прижаты угольные щетки, через которые постоянный ток подводится к клеммам. К этим клеммам присоединяют сварочные провода, идущие к электрододержа-телю и изделию.  [c.61]


    Двигатель внешнего сгорания — обзор

    13.12 Стандартные энергетические циклы для воздуха

    В большинстве современных газовых энергетических циклов используются двигатели внутреннего или внешнего сгорания с разомкнутым контуром. Рабочее тело в этих двигателях имеет очень изменчивые физические и химические свойства, что затрудняет анализ их термодинамического цикла. Поскольку наиболее распространенным химическим компонентом рабочей жидкости воздушно-реактивных двигателей является азот, который в значительной степени химически инертен внутри двигателя, можно разработать эффективную модель двигателя с замкнутым контуром , в которой только воздух считается рабочим. жидкость.Такое приближение к реальной термодинамике двигателя называется стандартным воздушным циклом , сокращенно ASC. ASC позволяет проводить простой, но в высшей степени идеализированный термодинамический анализ с замкнутым контуром для очень сложной системы с разомкнутым контуром. Допущения, воплощенные в анализе ASC двигателя IC или EC, следующие:

    1.

    Двигатель работает по замкнутому термодинамическому циклу, а рабочая жидкость представляет собой фиксированную массу атмосферного воздуха.

    2.

    Этот воздух ведет себя как идеальный газ на протяжении всего цикла.

    3.

    Процесс сгорания в двигателе заменяется простым процессом добавления тепла от внешнего источника тепла.

    4.

    Процессы впуска и выпуска двигателя заменены внешним процессом отвода тепла в окружающую среду.

    5.

    Предполагается, что все процессы в термодинамическом цикле обратимы.

    Обратите внимание, что пункт 5 подразумевает, что все процессы в рамках цикла, которые не имеют связанной теплопередачи, также являются изоэнтропическими процессами (т.е. они обратимы и адиабатическими). Поскольку численные результаты анализа с использованием ASC зависят от того, как решается проблема удельной теплоемкости идеального газа, анализ ASC далее характеризуется как стандартный цикл холодного воздуха , если удельная теплоемкость воздуха предполагается постоянной и оценивается при комнатной температуре, или стандартном цикле горячего воздуха , если предполагается, что удельная теплоемкость воздуха зависит от температуры.Когда делается более сложный анализ, в котором используются фактическая топливно-воздушная смесь и выхлопные газы, его обычно называют стандартным циклом реальной смеси .

    Двигатель IC или EC, работающий на ASC, можно схематично представить, как показано на рисунке 13.36. Поскольку фактический рабочий тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания часто сравнивают с его идеальным тепловым КПД ASC для оценки влияния реальных необратимых факторов на производительность двигателя, анализ ASC служит той же идеализированной функции сравнения эталонных показателей, что и анализ изоэнтропического цикла Ренкина. пароэнергетических циклов.

    Рисунок 13.36. Двигатель IC или EC, работающий по стандартному воздушному циклу с замкнутым контуром.

    Если рабочим телом в цикле Карно, показанном на рис. 13.37, является воздух (функционирующий как идеальный газ), то у нас будет ASC Карно. Поскольку (по определению) цикл Карно является термодинамически обратимым, используя обозначения рисунка 13.37, с 1 = с 2 и с 3 = с 4 .

    Рисунок 13.37.Стандартный цикл воздуха Карно.

    Изэнтропические процессы сжатия и расширения идеального газа с постоянной удельной теплотой обсуждаются в главе 7, и соотношение p v T для этих процессов дается уравнением. (7.38), из которого видно, что это можно записать непосредственно в терминах отношения температур, степени давления или степени сжатия (объема).

    Для процесса изэнтропического расширения с 1 = с 2 = с 2 с ,

    T2sT1 = (p2sp1) (k − 1) / k = (v2sv1) 1 − k

    Для процесса изоэнтропического сжатия с 3 = с 4 = с 4 с ,

    T3T4s = (p3p4s) (k − 1) / k = (v3v4s) 1 − k

    , где

    T1 = T4s = TH

    и

    T2s = T3 = TL

    Далее мы определяем

    v2s / v1 = v3 / v4s = степень изоэнтропического сжатия, CR

    и CR

    p1 / p2s = p4s / p3 = изоэнтропическое соотношение давлений, PR

    Критическое мышление

    Когда мы говорим, что двигатель или компрессор изэнтропический , мы имеем в виду, что энтропия на выходе такая же, как энтропия на входе .Но одного этого условия недостаточно, чтобы зафиксировать выходное состояние, поскольку мы должны указать два независимых термодинамических свойства, чтобы зафиксировать состояние. Мы могли бы выбрать фактическое давление на выходе или фактическую температуру на выходе в качестве второго независимого свойства на выходе. Однако на практике мы всегда выбираем фактическое давление на выходе в качестве второго независимого свойства. Почему мы это делаем?

    Ответ прост: давление на выходе более часто известно или легко определяется, чем температура на выходе.Например, когда двигатель выходит в атмосферу, давление выхлопных газов всегда равно атмосферному, независимо от давления на входе и процессов, происходящих внутри двигателя. Но температура выхлопных газов всегда зависит от температуры на впуске и сложных процессов, которые происходят между впуском и выпуском внутри двигателя.

    Следовательно, изоэнтропическое давление всегда принимается равным фактическому давлению на выходе изоэнтропического процесса , а степень изоэнтропии всегда такая же, как степень фактического давления для этих систем.

    Уравнение теплового КПД холодного ASC Карно теперь можно записать как

    (13,18) (ηT) Carnotcold ASC = 1 − TL / TH = 1 − PR (1 − k) / k = 1 − CR1− k

    Большинство паровых энергетических циклов, по крайней мере частично, проходят под паровым куполом и поэтому могут быть смоделированы с помощью единственного практического термодинамического цикла, цикла Ренкина. К сожалению, за пределами парового купола ни один термодинамический цикл не моделирует все возможные практические газовые энергетические циклы. В следующих разделах мы обсудим несколько коммерчески ценных газовых энергетических циклов и оценим их тепловой КПД ASC.Хотя эти циклы не охватывают все возможные циклы, именно они за эти годы принесли значительный экономический успех. Мы обсуждаем их в том хронологическом порядке, в котором они были разработаны.

    Разница между двигателем внутреннего и внешнего сгорания

    Автор: Admin

    Двигатель внутреннего и внешнего сгорания

    Двигатель внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания — это типы тепловых двигателей, в которых в качестве основного источника энергии используется тепловая энергия, вырабатываемая путем сгорания.Проще говоря, оба этих типа машин преобразуют тепловую энергию в механическую работу в форме вращения вала, который впоследствии используется для питания любого механизма, от автомобилей до пассажирских самолетов.

    Подробнее о двигателе внутреннего сгорания

    Двигатель внутреннего сгорания — это тепловой двигатель, в котором процесс сгорания топлива, смешанного с окислителем, происходит в камере сгорания, которая является неотъемлемой частью контура потока рабочего тела.

    Основной принцип работы любого двигателя внутреннего сгорания заключается в сжигании топливовоздушной смеси, создании газового объема с высоким давлением и температурой и использовании давления для перемещения компонента, прикрепленного к валу.Механизмы, используемые для достижения этой функциональности, разнообразны, а двигатели специально разработаны и обладают собственными характерными свойствами.

    Наиболее распространенным типом двигателей внутреннего сгорания является поршневой двигатель или поршневой двигатель, в котором поршень, соединенный с коленчатым валом, перемещается за счет давления и тепла, генерируемых при сгорании. У них относительно низкое отношение мощности к весу, а поток рабочей жидкости прерывистый, поэтому они используются для питания относительно небольших мобильных устройств, таких как автомобили, локомотивы или тягачи.Поршневые двигатели термодинамически моделируются либо циклом Отто, либо дизельным циклом.

    Газотурбинные двигатели также являются двигателями внутреннего сгорания, но используют газ под высоким давлением для перемещения лопаток турбины, соединенной с валом. Сгорание газотурбинных двигателей является непрерывным и имеет очень высокое отношение мощности к массе; поэтому используется в больших мобильных единицах, таких как реактивные самолеты, коммерческие авиалайнеры и корабли. Газотурбинные двигатели, работающие на воздухе в качестве рабочего тела, моделируются циклом Брайтона.Топливо, используемое во многих двигателях внутреннего сгорания, представляет собой нефтяное топливо разной степени.

    Подробнее о двигателе внешнего сгорания

    Двигатель внешнего сгорания — это тепловой двигатель, в котором рабочая жидкость доводится до высокой температуры и давления за счет сгорания от внешнего источника тепла через стенку двигателя или теплообменник во внешнем источнике, и процесс сгорания происходит вне цикла потока рабочего тела.

    Большинство типов паровых двигателей являются двигателями внешнего сгорания, в которых вода превращается в перегретый пар с помощью внешнего источника тепла, такого как котел, работающий от тепловой энергии, ядерной энергии или сжигания ископаемого топлива.В зависимости от механизма и фазового перехода паровые двигатели термодинамически моделируются циклом Стирлинга (однофазный — перегретый пар) и циклом Ренкина (двухфазный перегретый — пар и насыщенная жидкость).

    В чем разница между двигателем внутреннего и внешнего сгорания?

    • Процесс сгорания в двигателях внутреннего сгорания является неотъемлемой частью цикла потока жидкости, а тепловая энергия генерируется непосредственно внутри системы.

    • В двигателях внешнего сгорания тепловая энергия генерируется вне цикла потока рабочего тела и затем передается рабочему телу.

    Разница между двигателем внутреннего и внешнего сгорания

    Основное различие — двигатель внутреннего и внешнего сгорания

    Двигатели внутреннего и внешнего сгорания — это два типа тепловых двигателей: они преобразуют тепловую энергию в механическую. Основное различие между двигателем внутреннего и внешнего сгорания () состоит в том, что в двигателях внутреннего сгорания рабочая жидкость сгорает внутри цилиндра, тогда как в двигателях внешнего сгорания сгорание происходит вне цилиндра, а затем тепло передается рабочей жидкости. .

    Что такое двигатель внутреннего сгорания

    В двигателе внутреннего сгорания рабочее тело представляет собой горючую жидкость, помещенную внутри цилиндра. Четырехтактный Дизельный и бензиновый (бензиновый) двигатели относятся к двигателям внутреннего сгорания. В этих двигателях жидкость сгорает внутри цилиндра и расширяется. Расширение толкает поршень, прикрепленный к коленчатому валу, и производит движение. Есть небольшие различия в принципах работы между бензиновыми двигателями и дизельными двигателями: бензиновый двигатель следует так называемому циклу Отто , тогда как дизельный двигатель следует дизельному циклу .Дизельный двигатель также не использует искру для сгорания топлива, и он более эффективен, чем бензиновый двигатель.

    Газотурбинные двигатели (не путать с паровыми двигателями , которые являются одним из типов двигателей внешнего сгорания), используемые в самолетах, также являются одним из типов двигателей внутреннего сгорания. Здесь компрессор забирает воздух из атмосферы и сжимает его до высокого давления. Топливо добавляется к сжатому воздуху и воспламеняется. Этот воздух проходит через набор турбин, заставляя их вращаться.В конце концов воздух выходит через выхлоп.

    Газовая турбина для самолета

    Что такое двигатель внешнего сгорания

    В двигателе внешнего сгорания сгорание происходит вне цилиндра. Затем тепло необходимо передать в цилиндр, где выполняется работа. Паровые двигатели являются примером двигателей внешнего сгорания. В паровых машинах вода кипятится в емкости, образуя пар. Затем пар расширяется и проходит через набор трубок, в конечном итоге достигая поршня, который находится в другом месте.

    В прошлом паровые двигатели использовались для приведения в движение транспортных средств, и паровые поезда были ярким примером. Однако с появлением дизельных двигателей паровые двигатели вышли из употребления. Это произошло потому, что потери энергии в паровых двигателях сравнительно намного больше. Значительное количество тепла теряется на пути от котла к поршню. Паровые двигатели также довольно громоздки, что обуславливает их низкую удельную мощность. Сегодня паровые машины широко используются на электростанциях.

    Старый поезд на пару

    Двигатели Стирлинга — это еще один тип двигателей внешнего сгорания.У них также низкое соотношение мощности к весу, однако теоретически они должны быть в состоянии достичь высокого уровня эффективности. В настоящее время проводится множество исследований, чтобы увидеть, можно ли повысить фактическую эффективность этих двигателей. Поскольку двигатели Стирлинга теоретически могут использовать любой источник энергии, они также могут иметь большой потенциал в будущем, когда возобновляемые источники энергии будут широко использоваться.

    Разница между двигателем внутреннего и внешнего сгорания

    Место возгорания

    В двигателях внутреннего сгорания сгорание происходит внутри цилиндра, содержащего рабочее тело.

    В двигателях внешнего сгорания сгорание происходит вне цилиндра. Тепло необходимо передавать рабочему телу отдельно.

    Изображение предоставлено:

    «Газовая турбина Rolls-Royce RB211 с высокой степенью двухконтурности…» Криса Аллена (Промышленный музей Дерби — RB211) [CC BY-SA 2.0], по географическому адресу

    «Свадьба в швейцарском паровозике 2» Эндрю Нэша (собственная работа) [CC BY-SA 2.0], через flickr

    10 Различия между двигателем внутреннего и внешнего сгорания

    В этой статье вы узнаете о двигателях внутреннего и внешнего сгорания и о различии между двигателями внутреннего и внешнего сгорания.

    Что такое тепловой двигатель?

    Двигатель — это устройство, преобразующее одну форму энергии в другую. Тепловой двигатель — это машина, в которой химическая энергия топлива превращается в тепловую при сгорании для создания механической работы. Тепловые двигатели можно классифицировать по месту сгорания.

    Кроме того, обратите внимание на двухтактный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания. Кроме того, узнайте, почему детонация возникает в двигателе .Кроме того, также ознакомьтесь с различными типами паровых двигателей , используемых в промышленности.

    Типы тепловых двигателей

    Ниже приведены два основных типа тепловых двигателей:

    1. Двигатель внутреннего сгорания
    2. Двигатель внешнего сгорания

    1. Двигатель внутреннего сгорания

    При сгорании топлива происходит внутри рабочего цилиндра, двигатель известен как двигатель внутреннего сгорания (I.Двигатель C).

    Пример: бензиновый двигатель, дизельный двигатель и т. Д.

    2. Двигатель внешнего сгорания

    Если сгорание топлива происходит вне рабочего цилиндра, двигатель называется двигателем внешнего сгорания (двигатель E.C.).

    Пример: паровой двигатель, паровые турбины и т. Д.

    Читайте также: Двигатель: Типы двигателей в автомобиле [Подробное руководство] с PDF

    Разница между двигателем внутреннего и внешнего сгорания

    Различия между двигателем внутреннего сгорания и двигатель внешнего сгорания выглядит следующим образом:

    Внутреннее сгорание топлива происходит внутри рабочего цилиндра.При этом внешнее сгорание топлива происходит вне рабочего цилиндра.

    В качестве рабочего тела в двигателе внутреннего сгорания используется бензин, дизельное топливо и различные типы газов. Тогда как Рабочей жидкостью, используемой в двигателе внешнего сгорания, может быть пар.

    Двигатель внутреннего сгорания требует меньше места. По сравнению с двигателем внешнего сгорания он требует больше места, чем двигатель внутреннего сгорания.

    Капитальные затраты на двигатель внутреннего сгорания относительно невысоки.Но капитальные затраты на двигатель внешнего сгорания относительно высоки.

    Этот двигатель внутреннего сгорания запускается легко и быстро. По сравнению с двигателем внешнего сгорания запуск двигателя требует времени.

    У двигателя внутреннего сгорания высокий тепловой КПД. В то время как в двигателе внешнего сгорания тепловой КПД низкий.

    Мощность, развиваемая в двигателе внутреннего сгорания на единицу веса этих двигателей, высока. По сравнению с мощностью, развиваемой в двигателе внешнего сгорания, удельный вес этих двигателей невысок.

    Двигатель внутреннего сгорания не требует котла или других компонентов, поэтому он легкий и компактный. В то время как двигатель внешнего сгорания требует котла и других компонентов для передачи энергии, он тяжелый.

    Двигатель внутреннего сгорания имеет КПД около 35-45%. По сравнению с двигателем внешнего сгорания имеет КПД около 15-25%.

    Стоимость топлива двигателя внутреннего сгорания относительно высока. По сравнению с топливом стоимость ДВС относительно невысока.


    Заключение

    Если у вас все еще есть сомнения по поводу «Различия между двигателем внутреннего сгорания и двигателем внешнего сгорания» , вы можете связаться с нами или задать вопрос в комментариях.

    У нас также есть сообщество на Facebook для вас, ребята. Если вы хотите, вы можете присоединиться к нашему сообществу, вот ссылка на нашу группу в Facebook. Если вам понравилась наша статья, поделитесь ею с друзьями. Если у вас есть вопросы по любой теме, просто задавайте их в комментариях.

    Наконец, подпишитесь на нашу рассылку, чтобы получать уведомления, когда мы загружаем новые статьи.

    Вы можете прочитать больше в нашем блоге:

    1. 13 Основные различия между станками с ЧПУ, ЧПУ и DNC
    2. Различия между токарными станками с револьверной головкой и револьверными станками
    3. Различия между гидравлическими и пневматическими

    Все топливо, внешнее сгорание Двигатель … — autoevolution

    Двигатель, о котором мы собираемся здесь поговорить, произведен Cyclone Power Technologies, базирующейся в Помпано-Бич, Флорида.Человек, который управляет компанией, Гарри Шоелл, также является человеком, который изобрел это хитроумное изобретение (на самом деле, Cyclone пытается продвигать двигатель как двигатель «Шоелла», вы знаете, как это было в случае с Рудольфом Дизелем). Двигатель Cyclone, как мы будем называть его здесь, является результатом нескольких лет работы, в то время как Schoell является гордым получателем двух патентов на двигатель, а еще 11 патентов ожидают утверждения. ЧТО ЭТО?

    Cyclone — это двигатель внешнего сгорания с рекуперацией тепла в соответствии с циклом Ренкина.В упрощенном переводе устройство способно превращать тепло в работу. Принцип работы цикла Ренкина, используемый сегодня для выработки около 80 процентов ВСЕЙ электроэнергии, используемой в современном мире, имеет одну интересную особенность: он работает на жидкости. Любая жидкость.

    Эта характеристика, присвоенная Циклону, означает, что подойдет любое топливо, если его использование приводит к выделению тепла. КАК ЭТО РАБОТАЕТ
    В отличие от традиционного двигателя внутреннего сгорания, который воспламеняет топливо под высоким давлением внутри цилиндров, Cyclone сжигает его во внешней камере под атмосферным давлением вне цилиндров.Тепло, возникающее при сгорании топлива, используется для превращения воды в пар, а это означает, что двигатель работает не от топлива, а от пара.

    Согласно Cyclone Power, топливо, необходимое для создания стержня, даже не обязательно должно быть топливом. Производитель заявляет, что он использовал все: от апельсиновой корки и водорослей до ископаемого топлива и вплоть до бутана, природного газа и порошкового угля. И все они заработали …

    Процесс начинается с распыления топлива и его впрыска в центробежную камеру сгорания.Как и во всех двигателях, искра воспламеняет топливо, в результате чего пламя вращается вокруг тепловых спиралей. Сами змеевики содержат воду, которая, как утверждает Cyclone, превращается под действием тепла в пар примерно за пять секунд.

    Создаваемый таким образом пар проходит в шесть цилиндров с давлением до 3200 фунтов на квадратный дюйм, толкая поршни так же, как они толкаются в обычном двигателе. Интересным аспектом этой технологии является то, что для работы двигателя не требуется смазка. Вода действует как рабочая жидкость и как масло.Благодаря конструкции клапанной системы двигатель также не требует стартера.

    Поршни, толкаемые вниз под давлением пара, вращают крестообразный подшипник, который, в свою очередь, раскручивает коленчатый вал. Cyclone утверждает, что двигатель можно напрямую связать с трансмиссией, минуя трансмиссию, благодаря тому факту, что наибольший крутящий момент достигается при первом обороте (850 фунт-фут).

    После того, как пар выполнил свою работу и толкнул поршни, он выпускается через выпускные отверстия и головку для конденсационной установки, которая снова превращается в воду.Вода собирается в поддон на дне конденсатора для использования в новом цикле. Насос забирает воду из поддона к нагревательным змеевикам, и все начинается снова …

    Для тех, кто еще не получил ее, воду, используемую для питания двигателя, не нужно заменять. Когда-либо … (при условии, конечно, что нет абсолютно никаких потерь пара или воды, в которые, честно говоря, немного трудно поверить). ЧТО ЭТО ДЕЛАЕТ
    Итак, до сих пор мы обсуждали, как это работает.Достаточно хорошо и впечатляюще, но есть ли у него какие-то реальные приложения? Cyclone Power говорит, что да.

    Производитель планирует пять версий двигателя Cyclone: ​​Mark II, V, VI, WHE и Solar 1. В автомобильной промышленности будут использоваться двигатели Mark V мощностью около 100 л.с., идеально подходящие для легковых автомобилей и автомобилей. Mark VI мощностью 330 л.с. для использования в грузовиках и большегрузном транспорте. ДЕРЕВЬЯМ ПОНРАВИТСЯ

    Двигатель Cyclone работает практически на всем, при условии, что он может воспламениться от искры и выделять тепло.Для привода поршней используется минимальное количество воды, и ее, теоретически, никогда не нужно заменять. Двигатель устраняет необходимость в смазке и маслонасосе, стартере и даже трансмиссии. Отсутствие некоторых функций, без которых невозможно обойтись, в современном автомобиле, конечно же, означает более низкую стоимость производства автомобиля с двигателем Cyclone.

    Любое биотопливо подойдет для работы Циклона, без необходимости смешивать его с ископаемым топливом. Отсутствие смазки для двигателя означает отсутствие необходимости в утилизации масла. Более низкие температуры горения устройства не позволяют создавать опасные газы NOx.

    Мы бы рассказали вам о недостатках двигателя Cyclone, но, честно говоря, мы не можем найти ни одного. Не считая того, что агрегата еще нет. И тот факт, что 11 заявленных патентов не позволяют производителю дать нам исчерпывающую картину.

    Итак, если этот двигатель такой классный, почему о нем раньше никто не думал? Что ж, они сделали … Даже около 2000 лет назад.

    Паровые двигатели звонят в какие-нибудь колокола? Потому что это и есть Циклон.Паровая машина. Уменьшен, оптимизирован, адаптирован к современности. Если вы помните уроки истории, паровая машина спровоцировала Промышленную революцию и выход из Средневековья. Может быть, двигатель Cyclone (или Schoell) сделает что-то подобное для темных веков окружающей среды. К сожалению, электромобили уже здесь. И разбрасывая …

    [PDF] 4.5 ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

    1 ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ Разница между двигателями внутреннего и внешнего сгорания, как следует из их названия, т.е…

    187

    4,5

    ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

    Разница между двигателями внутреннего и внешнего сгорания, как следует из их названия, заключается в том, что первые сжигают свое топливо внутри силового цилиндра, а вторые используют свое топливо для нагрева газа или пара через стенки внешней камеры, и нагретый газ или пар затем передается в силовой цилиндр. Поэтому для двигателей внешнего сгорания требуется теплообменник или бойлер для приема тепла, и, поскольку их топливо сжигается снаружи в устойчивых условиях, они, в принципе, могут использовать любое топливо, которое может гореть, включая сельскохозяйственные остатки или отходы. двигатели внешнего сгорания; паровые машины, которые используют расширяющийся пар (или иногда другой пар) для приведения в действие механизма; или двигатели Стирлинга, в которых используется горячий воздух (или другой горячий газ).Использование обеих технологий достигло своего апогея примерно в 1900 году и с тех пор практически исчезло. Однако краткое описание имеет смысл, поскольку: i. II. iii.

    они успешно и широко использовались в прошлом для перекачки воды; оба они обладают тем достоинством, что хорошо подходят для использования недорогих видов топлива, таких как уголь, торф и биомасса; предпринимаются попытки обновить и возродить их.

    и, следовательно, они могут снова появиться в качестве жизнеспособных опционов в более долгосрочном будущем.Основной недостаток эл. Двигатели заключается в том, что большая площадь теплообменника необходима для передачи тепла в рабочий цилиндр (цилиндры), а также для отвода тепла в конце цикла. В результате e.c. двигатели, как правило, громоздки и дороги в изготовлении по сравнению с i.c. двигатели. Кроме того, поскольку они больше не производятся, они не пользуются экономией массового производства, доступной, например, двигателям. Они также не запустятся так быстро и удобно, как i.c. двигатель; потому что нужно время, чтобы зажечь огонь и нагреть машину до рабочей температуры.Из-за их относительно плохого отношения мощности к весу, а также худшего отношения энергии к весу твердого топлива, типы применений, в которых паровые двигатели или двигатели Стирлинга, наиболее вероятно, будут приемлемы для статических приложений, таких как перекачивание оросительной воды в районах, где нефть топливо не всегда доступно, но дешевое твердое топливо доступно. С положительной стороны, e.c. двигатели имеют преимущество в том, что они могут быть намного более долговечными, чем i.c. двигателей (100-летние паровозы относительно легко содержать в рабочем состоянии, но для i.c. двигатели будут использоваться более 20 лет или около того. E.c. двигатели также значительно тише и не подвержены вибрации, чем двигатели i.c. двигатели. Уровень навыков, необходимых для технического обслуживания, также может быть ниже, хотя количество затрачиваемого времени будет больше, особенно из-за необходимости очистки печи. Современные инженерные технологии обещают, что любые будущие паровые двигатели или двигатели Стирлинга смогут извлечь выгоду из функций, недоступных более 60 лет назад, когда они последний раз использовались повсеместно. Продукты, включающие эти новые разработки, еще не представлены на рынке, но исследования и разработки проводятся в различных странах в ограниченном масштабе; однако, вероятно, пройдет несколько лет, прежде чем новое поколение многотопливных насосов Стирлинга или паровых насосов станет общедоступным.

    188 4.5.1 Паровые двигатели В настоящее время коммерчески доступно лишь ограниченное количество небольших паровых двигателей; большинство из них предназначены для общего пользования или для привода небольших прогулочных судов. Серьезная попытка разработать паровой двигатель мощностью 2 кВт для использования в отдаленных районах была предпринята конструкторами двигателей Рикардосом в Великобритании в 1950-х годах (см. Рис. 157). Эта разработка, возможно, была преждевременной и неудачной, но в настоящее время наблюдается возрождение интереса к разработке источников энергии, которые могут работать на топливе на основе биомассы (как более подробно обсуждается в Разделе 4.10). Однако малые паровые двигатели всегда страдали от необходимости соответствовать довольно строгим требованиям безопасности, чтобы избежать несчастных случаев из-за взрыва котла, и в большинстве стран есть правила, требующие сертификации котлов паровых двигателей, что является серьезным, но необходимым сдерживающим фактором. Принцип работы паровой машины проиллюстрирован на рис. 102. Топливо сжигается в топке, а горячие газы обычно проходят через трубы, окруженные водой (котлы с дымовыми трубами). Пар создается под давлением; обычно от 5 до 10 атмосфер (или от 5 до 10 бар).Предохранительный клапан предназначен для выпуска пара, когда давление становится слишком высоким, чтобы избежать риска взрыва. Пар под высоким давлением попадает в силовой цилиндр через клапан, где он расширяется относительно движущегося поршня, выполняя работу, пока его давление падает. Впускной клапан закрывается в определенный момент, но пар обычно продолжает расширяться до тех пор, пока давление не приблизится к атмосферному, когда выпускной клапан открывается, позволяя поршню вытолкнуть охлажденный и расширенный пар наружу, чтобы освободить место для нового впуска с высоким давлением. Стим.Клапаны связаны с приводным механизмом, чтобы автоматически открываться или закрываться в нужный момент. Период открытия впускного клапана может регулироваться оператором для изменения скорости и мощности двигателя.

    189

    Рис. 102 Схема конденсационного парового двигателя В самых простых типах двигателей пар выбрасывается в атмосферу. Однако это расходует энергию, потому что за счет охлаждения и конденсации отработанного пара давление может быть снижено до полувакуума, что позволяет извлечь больше энергии из заданного расхода пара и, таким образом, значительно повысить эффективность.Когда конденсатор не используется, например, в паровозах, струя отработанного пара используется для создания хорошей тяги для печи за счет втягивания горячих газов вверх по обязательно короткой дымовой трубе. Конденсирующие паровые машины, с другой стороны, нуждаются либо в высокой трубе для создания тяги за счет естественной конвекции, либо в вентиляторах или нагнетателях. Паровые насосы могут легко включать конденсатор, поскольку перекачиваемая вода может служить для охлаждения конденсатора. Согласно Миду [13] (и другим), типичный выигрыш в общей эффективности от использования конденсатора может превышать 30% дополнительной мощности на единицу используемого топлива.Конденсированный пар собирается в виде воды на дне конденсатора, а затем перекачивается под давлением, достаточным для нагнетания его обратно в котел с помощью небольшого насоса подачи воды, который обычно приводится в действие от двигателя. Еще одним важным преимуществом конденсационного парового двигателя является то, что рециркуляция той же воды снижает проблемы образования накипи и коррозии, которые обычно возникают при использовании непрерывного потока пресной воды. Подача чистой и не содержащей минералов воды обычно необходима для паровых двигателей без конденсации для продления срока службы котла.Самая простая паровая машина имеет КПД около 5% (энергия пара превращается в энергию механического вала — КПД печи и котла, вероятно, должен составлять от 30 до 60%, чтобы получить общий КПД в качестве первичного двигателя в диапазоне от 1,5 до 60%). 3% диапазона). Эффективность более сложных двигателей составляет около 10%, а у самых лучших — 15%. Когда КПД котла и печи (30-60%) плюс насос (40-80%) и трубопровод (40-90%) складываются, мы получаем КПД системы для насосов с паропоршневым двигателем в диапазоне 0.Диапазон от 5 до 4,5%, что хуже, но не намного хуже, чем для малых s.i. насосные системы двигателей внутреннего сгорания, но позволяют использовать не нефтяное топливо и обеспечивают большую долговечность.

    4.5.2 Двигатели Стирлинга Этот тип двигателя был первоначально разработан преподобным Робертом Стирлингом в 1816 году. Десятки тысяч небольших двигателей Стирлинга использовались в конце девятнадцатого и начале двадцатого века, главным образом в США, но также и в Европе. Они применялись для всех видов малой энергетики, в том числе для перекачки воды.В Северной Америке они особенно видели службу на «новых рубежах»; которая в то время страдала от всех проблем развивающейся страны с точки зрения нехватки энергоресурсов и т. д. Электрификация сельских районов и рост популярности небольших бензиновых двигателей в течение и после 1920-х годов обогнали двигатель Стирлинга, но присущую им многотопливную способность, надежность и долговечность делают их привлекательной концепцией для повторной разработки для использования в отдаленных районах в будущем, и с этой целью инициируются определенные проекты.Различные типы поршневых водяных насосов Стирлинга прямого действия были разработаны с 1970-х годов компаниями Beale и Sunpower Inc. в США, и некоторые ограниченные разработки новых двигателей, например, компанией IT Power в Великобритании при финансовой поддержке GTZ в Западной Германии, продолжаются. .

    191

    Рис. 103 Двигатель Rider-Ericsson с нагнетанием горячего воздуха (цикл Стирлинга) около 1900 г. В двигателях Стирлинга используются изменения давления, вызванные поочередным нагревом и охлаждением замкнутой массы воздуха (или другого газа). Двигатель Стирлинга потенциально может быть более эффективным, чем паровой двигатель, а также позволяет избежать взрыва котла и опасности образования накипи паровых двигателей.Важным признаком является то, что двигатель Стирлинга почти уникален в качестве теплового двигателя в том смысле, что его можно заставить достаточно хорошо работать при дробных значениях мощности, когда и i.c. двигатели и паровые машины относительно неэффективны. Это, конечно, делает его потенциальным интересом для мелкомасштабного орошения, хотя в настоящее время он не является коммерчески доступным вариантом. Строгое объяснение цикла Стирлинга — сложная задача. Но, говоря простым языком, вытеснитель используется для перемещения замкнутой подачи воздуха из горячей камеры в холодную через регенератор.Когда большая часть воздуха находится в горячем конце замкнутой системы, внутреннее давление

    192 будет высоким и газу позволено расшириться за счет силового поршня, и наоборот, когда вытеснитель перемещает воздух к холодному концу, давление падает, и силовой поршень возвращается. Газ движется от горячего конца к холодному через регенератор, который имеет высокую теплоемкость в сочетании с большой площадью поверхности, так что горячий воздух, забираемый из силового цилиндра, постепенно охлаждается на своем пути через регенератор, отказываясь от него. его жар в процессе; затем, когда холодный воздух возвращается в силовой цилиндр, готовый к следующему рабочему такту, тепло возвращается от матрицы регенератора для предварительного нагрева воздуха до того, как он достигнет силового цилиндра.Регенератор жизненно важен для достижения хорошего КПД двигателя Стирлинга. Он часто состоит из массы металлической сетки, через которую может легко проходить воздух [33], [34]. Некоторое представление о механике «небольшого двигателя Стирлинга» можно получить из рис. 103, на котором изображен двигатель Rider-Ericsson 1900 года выпуска. Цилиндр буйка своим нижним концом выступает в небольшую печь. Когда вытеснитель опускается, он выталкивает весь воздух через регенератор в охлаждаемый водой объем рядом с силовым цилиндром, и давление в системе падает, затем, когда вытеснитель поднимается и втягивает воздух обратно в горячее пространство, давление повышается и используется для толкайте силовой поршень вверх на рабочий ход.Поплавок приводится в движение приводным валом и отклоняется на 90 ° по фазе от рабочего поршня. Представление о потенциальной ценности таких двигателей может быть получено из отчетов об их характеристиках; например, двигатель Rider-Ericsson мощностью в половину лошадиных сил может поднимать 2,7 м3 / ч воды на расстояние 20 м; он работал со скоростью около 140 об / мин (только) и потреблял около 2 кг коксового топлива в час. Все, что требовалось для его поддержания, — это периодически разжигать огонь, как в домашней печи, и каждые час или около того капать каплю масла на подшипники скольжения.

    4,6

    ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ

    Если имеется надежное подключение к электросети, нет ничего более удобного или более экономичного для питания ирригационного насоса. К сожалению, у большинства фермеров в развивающихся странах нет под рукой электросети, и даже те, которые ее действительно имеют, часто обнаруживают, что ее электроснабжение ненадежно. Проблемы с электроснабжением, как правило, особенно распространены во время сезона орошения, потому что откачка для орошения, как правило, практикуется одновременно всеми фермерами в конкретном районе и, следовательно, может легко перегрузить не отвечающую требованиям сельскую сеть и вызвать «перебои в работе» (снижение напряжения) или даже «отключение электричества». «(полное отключение электроэнергии).Таким образом, для многих электроэнергетических компаний существует серьезное препятствие в поощрении любого дальнейшего использования электроэнергии для ирригационной насосной системы в развивающихся странах, где электроснабжение уже находится под напряжением. Реальные затраты на расширение сети очень высоки, обычно порядка 5 000–10 000 долларов США за километр ответвления. Хотя в прошлом соединения во многих странах субсидировались, независимо от ценовой политики коммунального предприятия, кто-то должен за это платить, и сегодня наблюдается тенденция к отмене субсидий.Следовательно, хотя электродвигатель, рассматриваемый отдельно, является чрезвычайно недорогим и удобным первичным двигателем, он полезен только при подключении к большому количеству капиталоемкой инфраструктуры, которая должна нести значительную электрическую нагрузку для самофинансирования за счет доходов. . Еще одна проблема для развивающихся стран при рассмотрении варианта подключения к электросети — высокая валютная составляющая инвестиций; обычно это 50-80%, по данным Флюитмана [35] (со ссылкой на источник Всемирного банка).Производство электроэнергии в сельских районах

    193 районов развивающихся стран, как правило, осуществляется за счет установок, работающих на нефтяном топливе (обычно дизельных генераторов), поэтому это также является бременем для экономики. Фактически, большая часть импорта нефти во многие развивающиеся страны идет на производство электроэнергии. Таким образом, привлекательность электрификации сельских районов как инвестиции в развитие сейчас ставится под гораздо большее сомнение, чем это было раньше; (например, [35]). Однако здесь не предлагается рассматривать политические последствия или макроэкономические последствия широкого использования электроэнергии для орошения насосными станциями, кроме как указать, что это не может рассматриваться как универсальное решение для удовлетворения мировых потребностей в орошении, поскольку большинство страны не смогут позволить себе в обозримом будущем расширить сеть на все свои сельские районы.Даже если такая возможность может быть предоставлена, все равно необходимо сомневаться в том, является ли она наиболее экономичным решением для перекачивания ирригационных насосов, принимая во внимание высокие затраты на инфраструктуру.

    4.6.1 Источники и типы электричества Батареи производят постоянный поток электричества, известный как «постоянный ток» или DC. Фотоэлектрические (солнечные) элементы также производят постоянный ток. Электрические генераторы для производства постоянного тока иногда называют «динамо-машинами»; для них требуются коммутаторы, состоящие из вращающихся латунных сегментов с неподвижными угольными щетками.Генераторы сегодня почти повсеместно используются для выработки электроэнергии на валу. Генераторы проще и дешевле генераторов постоянного тока, но они вырабатывают напряжение, которое полностью меняет направление несколько раз за оборот. Этот тип электрического выхода, который почти повсеместно используется для электроснабжения, известен как «переменный ток» или AC. Напряжение сети переменного тока обычно колеблется от полностью положительного до полностью отрицательного и обратно 50 раз в секунду (50 Гц или 50 циклов в секунду) или, в некоторых случаях, 60 Гц.Точно так же колеблется ток. Иногда ток и напряжение могут быть «не в ногу», т.е. их пики не совпадают. Это расхождение (или разность фаз) количественно выражается «коэффициентом мощности»; Выходная мощность системы переменного тока является произведением ампер, вольт и коэффициента мощности. Когда амперы и вольт находятся в идеальной фазе друг с другом, коэффициент мощности численно равен 1. Когда коэффициент мощности меньше единицы (часто он составляет 0,9, а иногда и меньше), доступная мощность уменьшается пропорционально для данного номинального значения системы.Поэтому мощность оборудования переменного тока обычно указывается не в ваттах или киловаттах (кВт), а в вольт-амперах или киловольт-амперах (кВА). Таким образом, фактическая мощность в кВт будет равна номинальной мощности в кВА, умноженной на коэффициент мощности. Еще один важный принцип, о котором следует помнить, заключается в том, что гораздо экономичнее передавать электричество на любое расстояние при высоком напряжении, а не при низком. Для данной эффективности передачи необходимо меньшее поперечное сечение проводника. Это аналогично передаче воды, где более высокое давление и меньший расход позволяют использовать трубы меньшего размера для равной гидравлической мощности.Однако электричество потенциально опасно для жизни при переменном напряжении, намного превышающем 240 В, и при постоянном напряжении, намного превышающем 100 В (конечно, оно может убить при значительно более низких напряжениях в зависимости от обстоятельств и состояния здоровья жертвы), и изоляция становится более сложной. Следовательно, по соображениям безопасности 240 В переменного тока или около 110 В постоянного тока обычно являются максимальным напряжением, используемым в источниках питания конечных пользователей и для электроприборов. Причина, по которой переменный ток обычно используется для сетевых приложений, а не постоянного тока, заключается в том, что он имеет ряд важных преимуществ:

    194 a.Генераторы и двигатели переменного тока намного проще, дешевле и менее хлопотны, поскольку не требуют коммутаторов; б. Напряжения переменного тока можно изменять эффективно и с высокой степенью надежности с помощью трансформаторов, но с технической точки зрения изменение напряжения постоянного тока представляет собой гораздо более сложную проблему; поэтому переменный ток может легко эффективно передаваться при высоких напряжениях, а затем преобразовываться в более низкие и безопасные напряжения вблизи точки использования; c. Благодаря преимуществам переменного тока, он стал всемирно используемым стандартом для источников питания от сети, и практически все серийные электрические устройства рассчитаны на использование переменного тока.Иногда необходимо преобразовать переменный ток в постоянный или наоборот, например, для зарядки аккумуляторов (которые являются постоянным током) от сети переменного тока или для работы прибора переменного тока, предназначенного для питания от источника постоянного тока, такого как батарея или солнечная фотоэлектрическая батарея. множество. Переменный ток можно легко преобразовать в постоянный ток с помощью выпрямителя; они (как и трансформаторы) представляют собой твердотельные устройства, которые не требуют обслуживания и относительно эффективны. Зарядное устройство для аккумуляторов обычно состоит из трансформатора (для понижения напряжения сети до напряжения аккумулятора) и выпрямителя для преобразования переменного тока низкого напряжения в постоянный.Преобразование постоянного тока в переменный сложнее; традиционно использовалось неэффективное электромеханическое устройство, называемое вращающимся преобразователем; это двигатель постоянного тока, напрямую подключенный к генератору переменного тока. Современная альтернатива — электронное твердотельное устройство, называемое инвертором. Инверторы относительно недороги для приложений с низким энергопотреблением (например, для питания небольших люминесцентных ламп от батарей низкого напряжения), но они становятся дорогими для таких приложений с более высокой мощностью, как электродвигатели для накачки.Качество и цена инверторов также сильно различаются; если необходим качественный выход переменного тока (и высокая эффективность преобразования), необходимо более сложное и дорогое устройство. Дешевые инверторы часто производят грубый выход переменного тока и относительно неэффективны; они также могут серьезно мешать приему радио и телевидения в непосредственной близости.

    4.6.2

    Питание от сети переменного тока

    Электроэнергия от сети обычно подается в виде переменного тока (AC) с частотой от 220 до 240 В и частотой 50 Гц или с частотой 110 В и 60 Гц для соединений с низким энергопотреблением (включая бытовые) до около 10кВт.Стандарт 220-240 В 50 Гц является нормальным в Европе, тогда как стандарт 110 В 60 Гц используется в США; любой из них может использоваться в других частях мира, хотя 220–240 В более распространено, особенно в Азии и Африке. Когда переменный ток подается по двум проводам, он известен как однофазный. Эти два провода не «положительный» и «отрицательный», а «живые» и «нейтральные»; в целях безопасности всегда должен быть включен третий провод — «земля» или «земля». Последний обычно подключается к корпусу любого устройства или двигателя, так что если какая-либо внутренняя неисправность приводит к контакту корпуса с источником питания, ток утечки будет течь на землю (землю) и отключать систему или перегорать предохранитель. .Поэтому, если электрический насос продолжает отключаться или перегорать предохранители, его также необходимо проверить на предмет короткого замыкания. Электроэнергия обычно генерируется как «трехфазная», при которой генератор переменного тока передает три «однофазных» выхода переменного тока по трем проводам. Каждая фаза сдвигается на одну треть оборота генератора переменного тока, поэтому пики напряжения в трех проводниках не совпадают, а равномерно разнесены. Три фазы, если они сбалансированы одинаково, будут гасить друг друга, если питаться от трех равных нагрузок, но на практике они обычно не сбалансированы идеально, поэтому обычно имеется четвертый обратный провод, называемый нейтралью.Однофазный источник переменного тока — это просто подключение к одной из трех «жизней» трехфазного источника с возвратом в его нейтраль. По этой причине во многих случаях важно не путать живое и нейтральное; также это ток, который должен быть защищен плавкими предохранителями или автоматическими выключателями. При более высоких уровнях мощности, обычно выше 5 кВт и всегда выше примерно 25 кВт, обычно используется трехфазный переменный ток. Подается в основном при 415 В между линиями (Европа) или 190 или 440 В (США).

    4.6.3

    Электродвигатели

    Электродвигатель кажется почти идеальным первичным двигателем для водяного насоса.Электроэнергия подается «одним щелчком выключателя», и вода производится с постоянной скоростью, пока двигатель не будет выключен. Электродвигатели имеют относительно длительный срок службы и, как правило, практически не требуют обслуживания. Самым дешевым и простым типом электродвигателя является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который почти повсеместно используется в электрических сетях; см. Рис. 104 (a) и Рис. 105. Здесь нет электрических соединений с вращающейся «беличьей клеткой», поэтому нет щеток или контактных колец, которые нужно было изнашивать или регулировать.Двигатели этого типа доступны в трехфазном или однофазном исполнении. Они работают с фиксированной скоростью в зависимости от частоты источника питания и количества полюсов в обмотках статора. Самый общий тип (который обычно самый дешевый) работает с номинальной скоростью 1500 об / мин при 50 Гц (1800 при 60 Гц), но доступны и другие скорости. По возможности, двигатель напрямую соединяется с центробежным насосом (например, Рис. 105). Двигатели с нестандартной скоростью вращения могут использоваться там, где это не подходит для насоса, или, в качестве альтернативы, может использоваться механизм понижения скорости ремня, такой как на рис.106. Проблема с асинхронными двигателями заключается в том, что им для запуска обычно требуется в три раза больше тока, чем при работе с номинальной скоростью и мощностью. Это означает, что максимальный ток, который может подаваться, должен быть значительно выше, чем необходимый для работы, что часто вызывает не только технические, но и финансовые проблемы, поскольку некоторые тарифы на электроэнергию определяются максимальным номинальным током в цепи. Недавно стали доступны электронные пусковые устройства, которые ограничивают пусковой ток, пока двигатель набирает скорость, и которые в некоторых случаях также улучшают общий КПД электродвигателя.

    196

    Рис.104 Четыре основных типа электродвигателей

    Рис.105 Электродвигатель с прямым соединением и центробежный насос

    197

    Рис.106 Поршневой насос с ременным приводом (Climax) с приводом от электродвигателя (обратите внимание на воздушные камеры для предотвращения гидравлического удара) Асинхронные двигатели обычно имеют КПД 75% для мощности 300 Вт (0,5 л.с.) и могут иметь КПД около 85% при мощности 10 кВт (при условии, что коэффициент мощности равен единице). Обычно они не производятся в размерах, значительно меньших, чем 100-200 Вт.Для очень малых масштабов применения чаще всего используется так называемый «универсальный двигатель». Универсальный двигатель (рис. 104 (б)) представляет собой «классический» электродвигатель с щеточным коллектором и намотанным якорем. Катушки с фиксированным полем создают магнитный поток для запуска двигателя. Двигатели такого типа могут использовать источник переменного или постоянного тока, и они обычно используются для очень небольших энергетических приложений (например, в электроинструментах и ​​бытовых приборах). Они более эффективны, чем это было бы возможно с очень маленьким асинхронным двигателем, а их пусковой ток меньше по сравнению с их рабочим током.Однако они страдают от необходимости периодической замены щеток при интенсивном использовании, например, при перекачке. Существуют мелкомасштабные системы электроснабжения, не зависящие от электросети, в которых используется источник постоянного тока, такой как фотоэлектрическая батарея, или батареи, заряжаемые от ветрогенератора. В этих приложениях двигатель постоянного тока с постоянными магнитами является наиболее эффективным вариантом (рис. 104 (c)). В них постоянные магниты заменяют катушки возбуждения; это обеспечивает более высокий КПД, особенно при частичной нагрузке, когда обмотки возбуждения поглощают значительную часть потребляемой мощности.Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами могут иметь КПД 75-85% даже при таких низких номинальных мощностях, как 100-200 Вт, необходимых для самых маленьких солнечных насосных систем. Большинство двигателей с постоянными магнитами имеют щеточные / коммутируемые якоря точно так же, как универсальные двигатели, что в контексте насосов является серьезным недостатком, особенно для двигателей с погружным уплотнением. Однако недавно стали доступны бесщеточные двигатели с постоянными магнитами (рис. 104 (d)). Здесь магниты прикреплены к ротору, а на обмотки статора подается коммутируемый переменный ток с переменной частотой, соответствующей скорости вращения; это делается путем отправки сигнала от датчика положения ротора, который измеряет скорость и положение вала и управляет электронной схемой, которая выполняет функцию коммутации на источнике постоянного тока.Двигатели такого типа механически не уступают асинхронным двигателям и при необходимости могут быть запломбированы в погружном насосе на весь срок службы, но они по-прежнему производятся в ограниченном количестве и включают сложный электронный коммутатор, что делает их относительно дорогими во время эксплуатации. пишу. С увеличением использования солнечных насосов они, вероятно, получат более широкое распространение, и их цена может упасть. Двигатели с погружными насосами, будь то асинхронные двигатели переменного тока или бесщеточные двигатели с постоянными магнитами постоянного тока, обычно заполняются (чистой и защищенной от коррозии) водой, поскольку это уравновешивает давление на уплотнения и упрощает предотвращение попадания воды из скважины, чем если бы двигатель содержал только воздух при атмосферном давлении.Очевидно, что заполнение двигателей водой возможно только с бесщеточными двигателями, в противном случае может произойти короткое замыкание. Еще одно преимущество двигателей, заполненных водой, заключается в том, что они лучше защищены от перегрева.

    4.6.4 Электробезопасность Электрическое напряжение переменного тока более 110 В и постоянного тока более 80 В потенциально опасно для жизни, особенно если контакт усиливается из-за присутствия воды. Следовательно, электричество и воду необходимо сочетать с осторожностью, и любой, кто использует электричество для перекачивания ирригационных насосов, должен обеспечить наличие всего необходимого защитного оборудования; я.е. эффективные расцепители или предохранители, а также подходящие бронированные кабели, заземленные и брызгозащищенные кожухи и т. д. Также все основные компоненты, двигатель, насос и опорная конструкция должны быть надлежащим образом заземлены (или заземлены) со всеми заземляющими соединениями, электрически связанными друг с другом. Крайне важно, чтобы электромонтажные работы выполнялись либо обученными электриками, либо, если это выполняет фермер, он должен провести его осмотр и проверку квалифицированным лицом, прежде чем пытаться его использовать; (в некоторых странах это в любом случае требование закона).Также целесообразно заранее знать, какие действия следует предпринять для лечения поражения электрическим током; большинство электроэнергетических компаний могут предоставить плакаты или уведомления с подробным описанием мер предосторожности и рекомендациями по лечению в случае возникновения такого неблагоприятного события.

    Двигатель Стирлинга Недостатки. Двигатель внешнего сгорания можно сделать из жестяной банки. Конструкция исполнения «Альфа»

    Двигатели внешнего сгорания стали применяться тогда, когда людям требовался мощный и экономичный источник энергии.До этого использовались паровые установки, но они были взрывоопасными, так как использовали горячий пар под давлением. В начале 19 века получили устройства с внешним сгоранием, а еще через десятки лет были изобретены уже знакомые устройства с внутренним сгоранием.

    Происхождение устройств

    В 19 веке человечество столкнулось с проблемой, которая заключалась в том, что паровые котлы слишком часто взрывались, а также имели серьезные конструктивные недостатки, делавшие их использование нежелательным.Продукция была найдена в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Эти устройства также можно назвать «двигателями горячего воздуха», которые все еще применялись в 17 веке, но этот человек добавил очиститель, названный регенератором, который в настоящее время называется изобретением. Таким образом, двигатель внешнего сгорания смог значительно повысить производительность установки, так как он сохранял тепло в теплой рабочей зоне при охлаждении рабочего тела. Благодаря этому эффективность всей системы была значительно увеличена.

    В то время изобретение использовалось довольно широко и становилось все более популярным, но со временем его перестали использовать, и о нем забыли. На смену оборудованию внешнего сгорания пришли паровые установки и двигатели, но уже знакомые с внутренним сгоранием. Опять же о них вспомнили только в 20 веке.

    Монтажные работы

    Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в том, что он постоянно чередует две стадии: нагрев и охлаждение рабочего тела в замкнутом пространстве и получение энергии.Эта энергия возникает из-за того, что объем рабочего тела постоянно меняется.

    Чаще всего рабочим телом в таких устройствах становится воздух, но можно использовать гелий или водород. На тот момент изобретение находилось в стадии разработки, в качестве экспериментов использовались такие вещества, как диоксид азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан. В некоторых образцах пытались применить даже обычную воду. Стоит отметить, что двигатель внешнего сгорания, который запускался с водой в качестве рабочего тела, отличался тем, что имел достаточно высокую удельную мощность, высокое давление и был достаточно компактным.

    Двигатель первого типа. «Альфа»

    Первой использованной моделью стала Alpha Stirling. Особенность его конструкции в том, что он имеет два силовых поршня, расположенных по разному в отдельных цилиндрах. Один из них имел достаточно высокую температуру и был горячим, другой, наоборот, холодным. Внутри теплообменника с высокой температурой находилась горячая пара цилиндр-поршень. Внутри теплообменника находился холодный пар с низкими температурами.

    Основными достоинствами тепловых двигателей внешнего сгорания было то, что они обладали большой мощностью и объемом.Однако температура горячей пары при этом была слишком большой. Из-за этого в процессе изготовления таких изобретений возникли некоторые технические трудности. Регенератор этого устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.

    Второй образец. «Бета»

    Вторым образцом была модель Бета-Стирлинга. Основное конструктивное отличие заключалось в том, что цилиндр был всего один. Один его конец служил горячей парой, а другой конец оставался холодным. Внутри этого цилиндра перемещался поршень, с которого можно было снять мощность.Также внутри находился вытеснитель, который отвечал за изменение объема зоны горячих работ. В этом оборудовании использовался газ, который перекачивался из холодной зоны в горячую через регенератор. Этот тип двигателя внешнего сгорания имел регенератор в виде внешнего теплообменника или совмещенный с поршневым вытеснителем.

    Последняя модель. «Гамма»

    Последний вид этого двигателя Сталь «Гамма» Стирлинга. Этот тип отличался не только наличием поршня, а также вытеснителя, но и тем, что в его конструкции было уже два цилиндра.Как и в первом случае, один из них был холодным и использовался для взятия власти. Но второй цилиндр, как и в предыдущем случае, был холодным с одного конца и горячим с другого. Здесь сместился вытеснитель. В поршневом двигателе внешнего сгорания также имелся регенератор, который мог быть двух типов. В первом случае он был внешним и соединял между собой такие конструктивные детали, как зона горячего цилиндра с холодным, а также с первым цилиндром. Второй тип — это внутренний регенератор. Если этот вариант использовался, он входил в конструкцию вытеснителя.

    Применение Ширлинга оправдано, если требуется простой и небольшой преобразователь тепловой энергии. Его также можно использовать, если разница температур недостаточно высока для использования газовых или паровых турбин. Стоит отметить, что сегодня такие образцы стали применяться все чаще. Например, используются автономные модели для туристов, которые способны работать от газовой горелки.

    Применение устройств в настоящее время

    Казалось бы, такое старое изобретение нельзя использовать в наши дни, но это не так.НАСА заказало двигатель внешнего сгорания типа Стирлинга, но в качестве рабочего вещества должны использоваться ядерные и радиоизотопные источники тепла. Кроме того, его также можно успешно использовать в следующих целях:

    • Использовать такую ​​модель двигателя для перекачки жидкости намного проще, чем обычную помпу. Во многом это связано с тем, что в поршне может использоваться сама перекачиваемая жидкость. Кроме того, он охладит рабочий орган. Например, такой «насос» можно использовать для закачки воды в оросительные каналы, используя для этого солнечное тепло.
    • Некоторые производители холодильников склонны устанавливать такие устройства. Стоимость продукции удастся снизить, а в качестве хладагента можно будет использовать обычный воздух.
    • Комбинируя двигатель внешнего сгорания этого типа с тепловым насосом, можно оптимизировать работу тепловой сети в доме.
    • Довольно успешно стирки используются на подводных лодках ВМФ Швеции. Дело в том, что двигатель работает на жидком кислороде, который впоследствии используется для дыхания.Для подводной лодки это очень важно. К тому же такое оборудование отличается довольно низким уровнем шума. Конечно, агрегат достаточно большой и требует охлаждения, но как раз эти два фактора несущественны, если мы говорим о подводной лодке.

    Преимущества использования двигателя

    Если использовать современные методы при проектировании и сборке, то можно будет поднять КПД двигателя внешнего сгорания до 70%. Использование таких образцов сопровождается следующими положительными качествами:

    • Удивительно, но крутящий момент в этом изобретении практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала.
    • В этом силовом агрегате отсутствуют такие элементы, как система зажигания и система клапанов. Распредвала здесь тоже нет.
    • Довольно удобно, что на протяжении всего периода использования не нужно будет настраивать оборудование и настраивать оборудование.
    • Данные модели двигателя не умеют «глохнуть». Простейшая конструкция устройства позволяет использовать его достаточно длительное время в полностью автономном режиме.
    • Можно использовать практически все, начиная от дров и заканчивая урановым топливом в качестве источника энергии.
    • Естественно, в двигателе внешнего сгорания процесс горения веществ осуществляется снаружи. Это способствует тому, что топливо заполнено, а количество токсичных выбросов сводится к минимуму.

    недостатки

    Естественно, никакому изобретению не посвящается. Если говорить о минусах таких двигателей, то они следующие:

    1. В связи с тем, что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод образующегося тепла происходит через стенки радиатора.Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
    2. Материалоемкость. Для того, чтобы создать компактную и экономичную модель двигателя Стирлинга, необходима качественная жаропрочная сталь, выдерживающая большое давление и высокую температуру. Кроме того, должна быть низкая теплопроводность.
    3. В качестве смазки придется покупать специальные приспособления, т.к. обычные краны при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
    4. Для получения достаточно высокой удельной мощности в качестве рабочего вещества необходимо использовать водород или гелий.

    Водород и гелий в качестве топлива

    Получение большой мощности Конечно, необходимо, однако необходимо понимать, что использование водорода или гелия довольно опасно. Например, водород сам по себе достаточно взрывоопасен и при высоких температурах создает соединения, называемые металлогидритами. Это происходит, когда в металле растворяется водород. Другими словами, он способен разрушить цилиндр изнутри.

    Кроме того, водород и гелий являются летучими веществами, которые обладают высокой проникающей способностью.Если говорить проще, то они легко просачиваются практически через любые пломбы. А потеря вещества означает потерю рабочего давления.

    Роторный двигатель внешнего сгорания

    Сердце такого автомобиля — роторная расширительная машина. Для двигателей С. внешнего типа Сгорание Этот элемент представлен в виде полого цилиндра, который с двух сторон прикрыт крышками. Сам по себе ротор имеет вид колеса, которое посажено на вал. Также в нем есть некоторое количество П-образных удлиненных пластин.Для их выдвижения используется специальное выдвижное устройство.

    Двигатель внешнего сгорания Лукьянова

    Юрий Лукьянов — научный сотрудник Псковского политехнического института. Он давно занимается разработкой новых моделей двигателей. Ученый постарался сделать в новых моделях такие элементы, как коробка передач, распредвал и выхлопная труба. Основным недостатком устройств Стирлинга было то, что они имели слишком большие габариты. Именно этот недостаток ученому удалось устранить за счет того, что лопасти были заменены на поршневые.Это помогло уменьшить размер всей конструкции в несколько раз. Некоторые предполагают, что можно сделать своими руками двигатель внешнего сгорания.

    Буквально около ста лет назад двигатели внутреннего сгорания мне пришлось завоевывать то место, которое они занимают в современном автомобилестроении, в жестокой конкурентной борьбе. Тогда их превосходство не казалось таким очевидным, как сегодня. Действительно, Steam Machine — бензиновый мотор Main Rival — обладал по сравнению с ним огромными преимуществами: бесшумностью, простотой регулирования мощности, прекрасными тяговыми характеристиками и удивительной «всеядностью», позволяющей работать на любом виде топлива от дров до бензина.Но в конечном итоге экономичность, легкость и надежность двигателей внутреннего сгорания взяли верх и заставили смириться с их недостатками, как неизбежность.
    В 1950-е годы, с появлением газовых турбин и роторных двигателей, штурм монопольного положения, занимаемого двигателями внутреннего сгорания в автомобильной промышленности, штурм, который все еще не увенчался успехом. Примерно в те же годы были предприняты попытки представить новый двигатель, в котором поразительным образом сочетаются экономичность и надежность бензинового двигателя с бесшумностью и «всеядностью» паровой установки.Это знаменитый двигатель внешнего сгорания, который шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).

    Физика процессов

    Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на расширении нагретого газа, выполняется большая механическая работа, чем требуется для сжатия холода. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылок и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, а когда в ней охлаждается воздух, горлышко закупоривается пробкой и быстро попадает в горячую воду.Через несколько секунд хлопок распределяется, и газ, нагретый в баллоне, толкает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова вернуть в ледяную воду — цикл повторится.
    В цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга этот процесс почти точно воспроизводился, пока изобретатель не понял, что часть тепла отводится у газа во время охлаждения, его можно использовать для частичного нагрева. Нам нужен только какой-то контейнер, в котором можно было бы хранить тепло, отбираемое от газа при охлаждении, и снова отдавать его при нагревании.
    Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые здесь результаты были весьма посредственными: 5-7 процентов кп, 2 литра от. Мощность, вес 4 тонны и занимаемая площадь 21 куб.
    Двигатели внешнего сгорания не спасла даже успех другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предлагал нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. 8 1887 г. Несколько тысяч маленьких двигателей Ericson отлично работали в типографиях, домах, в шахтах, на кораблях.Заполнили цистерны с водой, привели эффект лифтов. Эриксон пытался даже приспособить их для вождения экипажей, но они оказались слишком тяжелыми. В дореволюционной России выпускалось большое количество таких двигателей под названием «Тепло и сила».

    Одним из многообещающих источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от обычного для всех.Но на какое-то время после разработки о нем благополучно забыли.

    История создания

    В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловизионную машину, названную в честь ее создателя. Однако сама идея горячего воздуха была придумана вовсе не. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата был реализован именно Стирлингом.

    Он усовершенствовал систему, добавив в нее очиститель, в технической литературе названный теплообменником.Благодаря этому производительность мотора увеличилась за счет сохранения тепла. Эта модель по тем временам была признана самой прочной, так как ни разу не взорвалась.

    Несмотря на столь стремительный успех продвижения модели, в начале двадцатого века, от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания, из-за его стоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.

    Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификация

    Принцип работы любого теплового двигателя заключается в том, что существуют последовательные механические усилия для получения газа в расширенном состоянии.В качестве наглядного примера можно рассмотреть две кастрюли, согласно которым они наполнены холодной и горячей водой. Опустите в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку перекладывают в горячую воду.

    Этим движением газ в баллоне выполняет механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель понял, что часть выделяемого тепла можно использовать для лечения.От этого только увеличилась производительность агрегата.

    Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею охлаждения и нагрева газа при постоянном давлении вместо объема. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использовать в шахтах и ​​типографиях. Для экипажей I. Автомобиль. Агрегат оказался слишком тяжелым.

    На рисунке показан рабочий цикл двигателя Стирлинга.

    Как работает двигатель Стирлинга? Преобразует тепловую энергию, суммируемую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит из-за изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объеме. Внизу агрегата рабочее тело нагревается, увеличивается в объеме и толкает поршень вверх.

    Горячий воздух поступает в верхнюю часть двигателя и охлаждается радиатором. Давление рабочего гриппа снижается, и поршень опускается, чтобы повторить весь цикл.Система полностью герметична, поэтому рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цикла.

    Кроме того, существуют двигатели с открытым циклом, в которых регулирование расхода реализовано с помощью клапанов. Эти модели получили название двигателя Erixon. В целом принцип работы ДВС аналогичен двигателю. При низких температурах в нем происходит сжатие и наоборот. Обогрев осуществляется по-разному.

    Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра снаружи.Стирлинг решил применять периодическое изменение температуры с помощью поршневого поршня. Этот поршень перемещает газы из одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. Когда поршень перемещается вверх, газ выходит из горячей полости.

    Буйковая система в двигателе связана с рабочим поршнем, который сжимает газ на холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа выполняется как раз за счет сжатия при более низких температурах.Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между этапами цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не снижается.

    Некоторые детали работы двигателя

    Теоретически любой источник тепла (солнце, электричество, топливо) может поступать в двигатель внешнего сгорания. Принцип работы корпуса двигателя — использование гелия, водорода или воздуха. Максимально возможный тепловой КПД имеет идеальный цикл. КПД от 30 до 40%.Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимущество — работа без масел. В общем, смазки движку нужно немного. Среднее давление в баллоне колеблется от 10 до 20 МПа. Нужна хорошая система уплотнения и возможность попадания масла в рабочие полости.

    Согласно теоретическим расчетам, КПД двигателя Стирлинга сильно зависит от температуры и может достигать даже 70%.Самые первые образцы двигателей, реализованные в металле, имели низкий КПД, так как варианты охлаждающей жидкости были малоэффективными и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине 20 века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель КПД 35% по водному теплоносителю и с температурой 55 градусов Цельсия. Улучшение конструкции на некоторых экспериментальных образцах позволило достичь КПД почти 39%.Практически все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30%. Дизельные двигатели с турбонаддувом составляют около 35%. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc. в США, показывают КПД до 43%.

    После разработки термостойкой керамики и других инновационных материалов можно будет еще больше повысить температуру среды. В таких условиях КПД может достигать даже 60%.

    Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

    Модификация «Альфа»

    Такой двигатель состоит из отдельных горячих и холодных силовых поршней, расположенных в собственных цилиндрах. Он нагревается до цилиндра с горячим поршнем, а холодный находится в охлаждающем теплообменнике.

    Модификация «Бета»

    В этом варианте цилиндр, в котором находится поршень, с одной стороны нагревается, а с другой охлаждается. Внутри цилиндра движется вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объема рабочего газа.Регенератор также осуществляет возврат охлажденного рабочего тела в нагретую полость двигателя.

    Модификация «Гамма»

    Все несложные конструктивные модификации «Гамма» выполнены двухцилиндровыми. Первый полностью холодный. Делает движение силовым поршнем. А второй только с одной стороны холодный, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя. Регенератор циркуляции холодного газа в данной модификации может быть общим для обоих баллонов и входить в конструкцию вытеснителя.

    Преимущества двигателя внешнего сгорания

    Этот тип двигателя неприхотлив по топливу, так как в основе его работы лежит перепад температур. Чем вызвана эта разница — особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (стартер, коробка передач). Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией длительного срока службы: двигатель может работать непрерывно около ста тысяч часов.Еще одно серьезное преимущество ДВС — бесшумность. Это связано с тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости отводить выхлопные газы. Этому параметру особо выделяется модификация «бета». Его конструкция снабжена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, обеспечивающим отсутствие вибраций при работе. И наконец, экологичность. В цилиндрах двигателя нет процессов, которые могут негативно повлиять на окружающую среду.

    При выборе альтернативных источников тепла (энергии Солнца) двигатель Стирлинга превращается в своеобразный экологически чистый силовой агрегат.

    Недостатки двигателя внешнего сгорания

    В настоящее время массовое производство таких двигателей невозможно. Основная проблема — это материальный согласный материал. Для охлаждения рабочей жидкости двигателя требуется установка радиаторов большого объема. В результате размер увеличивается. Использование сложных рабочих органов, таких как водород или гелий, поднимает вопрос безопасности двигателя.Теплопроводность и термостойкость должны быть на высоком уровне. Тепло в рабочий объем поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется в дороге. При изготовлении теплообменников приходится использовать жаропрочные металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы дорогие и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Разработка специальных устройств управления.Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и фазового угла между буйком и силовым поршнем. Также можно изменить вместимость полости рабочей жидкостью.

    Примеры двигателей внешнего сгорания на автомобилях

    Были выпущены работоспособные модели такого двигателя, несмотря на все сложности изготовления. В возрасте 50 лет ХХ века автомобильные компании проявили интерес к этому виду силового агрегата. В основном внедряя двигатели Стирлинга на автомобили, Форд занимался автомобильной компанией.и Volkswagen Group. Шведская компания United Stirling разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленчатый вал, шатуны). Был разработан четырехцилиндровый V-образный двигатель с удельной массой 2,4 кг / кВт. Аналогичную массу имеет компактный дизель. Двигатель пытались установить на полуприцепы грузовых фургонов.

    Самым выдающимся удачным образцом стал Philips 4-125DA, доступный для установки на автомобили. Рабочая мощность двигателя составляла 173 лошадиных силы.Размеры остались прежними, чем у обычного бензинового двигателя.

    GENERAL MOTORS разработал восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году была выпущена ограниченная версия автомобиля Ford. Таким двигателем был Турин. Кроме того, расход топлива снизился на целых 25% по сравнению с предыдущими моделями. Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются усовершенствовать конструкцию этого двигателя, чтобы адаптировать его к серийному производству и установке на легковые автомобили.

    вытеснил другие виды электростанций, однако работа, направленная на отказ от использования этих агрегатов, предполагает скорую смену лидирующих позиций.

    С самого начала технического прогресса при использовании двигателей, сжигающих топливо внутри, не только было очевидным их превосходство. Паровая машина, как у конкурента, содержит массу преимуществ: наряду с параметрами тяги, бесшумна, всеядна, легко управляется и настраивается. Но легкость, надежность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания занять переправу.

    Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счет возобновляемых источников топлива. В 16-м году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает в себе экономичность, надежность, бесшумно работает на любом топливе, что делает изделие игроком автомобильного рынка.

    Роберт Стирлинг (1790-1878 гг.):

    История двигателя Стирлинга

    Изначально установка была разработана для замены автомобиля, работающего за счет пара. Взорвались котлы паровых механизмов с превышением нормативов допустимого давления. С этой точки зрения стирлинг намного безопаснее, поскольку он работает на разнице температур.

    Принцип работы двигателя Стирлинга при попеременной подаче или отборе тепла в веществе, при котором выполняется работа.Само вещество заключено в объем закрытого типа. Роль рабочего тела выполняют газы или жидкости. Есть вещества, которые выполняют роль двух компонентов, газ превращается в жидкость и наоборот. Жидкостный двигатель Стирлинга имеет: малые габариты, мощный, производит большое давление.

    Уменьшение и увеличение объема газа при охлаждении или нагревании соответственно подтверждается законом термодинамики, согласно которому все составляющие: степень нагрева, величина пространства, занимаемого веществом, сила, действующая на единицу площади ассоциируется и описывается формулой:

    П * В = Н * Р * Т
    • P — мощность газа в двигателе на единицу площади;
    • В — количественная величина, занимаемая газом в моторном отсеке;
    • н — молярное количество газа в двигателе;
    • Р — постоянный газ;
    • Т — степень нагрева газа в двигателе до,

    Модель двигателя Стирлинга:


    Из-за неприхотливости установок двигатели делятся: твердотопливные, жидкие, солнечные, химические и другие виды нагрева.

    Цикл

    Двигатель внешнего сгорания Стирлинга использует тот же набор явлений. Эффект от вхождения в механизм высок. Благодаря этому можно построить двигатель с хорошими характеристиками при нормальных габаритах.

    Необходимо учитывать, что в конструкции механизма, нагревателя, холодильника и регенератора, устройства предусмотрены отвод тепла от вещества и возврат тепла в нужный момент.

    Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «Температура-объем»):

    Идеальные круговые явления:

    • 1-2 изменения линейных размеров вещества при постоянной температуре;
    • 2-3 отвода тепла от вещества к теплообменнику, постоянно занимаемое веществом;
    • 3-4 Принудительная обрезка занимаемого веществом пространства, температура постоянная, тепло передается в охладитель;
    • 4-1 Принудительное повышение температуры вещества, постоянно занимаемого пространством, тепло суммируется от теплообменника.

    Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объем»):

    Из расчета (моль) вещества:

    Любимое тепло:

    Охлаждающий радиатор теплый:

    Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдает тепло (процесс 4-1):

    Р — универсальный перманентный газ;

    CV — способность идеального газа удерживать тепло при немеханических размерах занимаемого пространства.

    Из-за использования регенератора часть тепла остается, так как энергия механизма не изменяется для прохождения круговых явлений. Холодильник получает меньше тепла, следовательно, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

    Круговые явления КПД:

    ɳ =

    Примечательно, что без теплообменника набор процессов Стирлинга возможен, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение всей совокупности процессов в обратном направлении приводит к описанию механизма охлаждения.В этом случае наличие регенератора — обязательное условие, так как при прохождении (3-2-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Также нельзя подавать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

    Принцип работы двигателя

    Чтобы понять, как работает двигатель Стирлинга, давайте разберемся в устройстве и частоте совокупных явлений. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося вне продукта, в силу воздействия на тело.Весь процесс происходит за счет разницы температур в рабочем веществе, находящемся в замкнутом контуре.


    Принцип действия механизма основан на тепловом расширении. При прямом улучшении вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед охлаждением вещество охлаждают. Цилиндр (1) охвачен водяной рубашкой (3), тепло подается на дно. Поршень, совершающий работу (4), помещен во втулку и уплотнен кольцами.Между поршнем и днищем находится перемещающий механизм (2), имеющий значительные зазоры и плавно перемещающийся. Вещество в замкнутом контуре перемещается по объему камеры за счет вытеснителя. Движение вещества ограничено двумя направлениями: низ поршня, низ цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с задержкой на 90 ° по сравнению с приводом поршня.

    Поршень находится в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.

    Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещается, пропускает вещество через торцевые прорези в нижнюю часть, охлаждается сам. Поршень стоит неподвижно.

    Вещество нагревается, под действием тепла увеличивается в объеме и поднимает расширитель поршнем вверх. Производится работа, после которой вытеснитель падает на дно, выталкивая вещество и остывая.

    Поршень опускается, сжимает остывшее вещество, полезная работа. Маховик служит в конструкции энергетической батареи.

    Модель рассматривалась без регенератора, поэтому КПД механизма не велик. Тепло веществ после срабатывания отводится в теплоноситель через стенки. Температура не успевает снизиться до желаемого значения, поэтому время охлаждения увеличивается, скорость двигателя мала.

    Типы двигателей

    Конструктивно существует несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, рассмотрены основные типы:


    В конструкции использованы два разных поршня, расположенных разного контура.Первый контур используется для обогрева, второй контур — для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство имеет хорошее соотношение мощности к объему. Недостатком является то, что температура горячего регенератора создает конструктивные трудности.


    В конструкции используется один замкнутый контур с разными температурами на концах (холодный, горячий). Полость представляет собой поршень с вытеснителем. Вытеснитель разделяет пространство на холодную и горячую зоны.Обмен холода и тепла происходит путем прокачки вещества через теплообменник. Конструктивно теплообменник выполнен в двух вариантах: внешний, совмещенный с вытеснителем.


    Поршневой механизм предусматривает использование двух замкнутых контуров: холодного и с буйком. Снятие мощности с холодного поршня. Поршень с буйком с одной стороны горячий, с другой — холодный. Теплообменник расположен как внутри, так и снаружи конструкции.

    Некоторые силовые установки не похожи на основные типы двигателей:


    Конструктивно изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Заложен синергетический подход к реализации цикла. В корпусе имеются радиальные прорези. В углубление вставлены лопасти определенного профиля. Пластины находятся на роторе и могут перемещаться по оси при вращении механизма. Все предметы создают изменяющиеся объемы с происходящими в них явлениями.С каналами связаны объемы различных роторов. Расположение каналов имеет сдвиг на 90 ° друг к другу. Смещение роторов относительно друг друга составляет 180 °.

    • Термоакустический двигатель Стирлинга.


    Двигатель использует акустический резонанс для процессов. Принцип основан на перемещении вещества между горячей и холодной полостью. Схема уменьшает количество движущихся частей, сложность снятия возникающей мощности и поддержания резонанса.Конструкция относится к свободному мотору.

    Двигатель Стирлинга своими руками

    Сегодня довольно часто в интернет-магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого паровоза. Конструктивно и технологически механизмы достаточно простые, при желании двигатель Стирлинга несложно сконструировать своими руками из средств защиты. В Интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчеты и другую информацию по данной теме.

    Двигатель Стирлинга с низким темперированием:


    • Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, выполнить консервную банку, мягкий пенополиуритан, диск, болты и канцелярские зажимы. Все эти материалы легко найти в домашних условиях, остаются следующие действия:
    • Возьмите мягкий пенополиуретан, отрежьте два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервационной окружности. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки.Дурак играет роль захватчика в двигателе;
    • Возьмите крышку банки, посередине проделайте отверстие, диаметром два миллиметра. Прижать к отверстию полый стержень, который будет выполнять роль направляющей стержня двигателя;
    • Возьмите вырезанный из пенопласта круг, вставьте его в середину круга и проведите по нему с двух сторон. К шайбе припаиваем предварительно расправленную скобу;
    • В двух сантиметрах от центра просверлить отверстия, диаметром три миллиметра, резьбу аутструдера через центральное отверстие крышки, припаять крышку к банке;
    • Сделайте из жести небольшой цилиндр диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банок так, чтобы боковое отверстие крышки оказалось четко по центру внутри цилиндра двигателя. ;
    • Сделайте коленчатый вал двигателя из обоймы.Расчет производится таким образом, чтобы отклонение колена составляло 90 °;
    • Сделайте штабель под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой пленки сделать эластичную мембрану, натянуть пленку на баллон, продать, зафиксировать;


    • Самостоятельно сделайте шатун двигателя, один конец расправленного изделия будет в виде кружки, второй конец вставьте в срез ластика. Длина регулируется таким образом, чтобы в крайней нижней точке вал глушителя тянулся, в крайней верхней точке мембрана натягивалась максимально.Установите другой шатун по тому же принципу;
    • Ходовая часть качения с резиновым наконечником. Шутун без резинового наконечника крепится на буйке;
    • Надеть кривошипно-шатунный механизм маховика двигателя с диска. На банке сделайте ножки, чтобы продукт держался в руках. Высота ножек позволяет разместить под банку свечу.

    После того, как вам удалось сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях, двигатель заводится. Для этого под банку ставят зажженную свечу, а после того, как банка прогреется, давите на маховик.


    Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать в домашних условиях в качестве наглядного пособия. Если поставлена ​​цель и желание сделать двигатель Стирлинга максимально приближенным к заводским аналогам, в свободном доступе имеются чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать рабочий макет не хуже коммерческих версий.

    Преимущества

    Для двигателя Стирлинга характерны такие преимущества:

    • Для работы двигателя нужна разница температур, какое топливо вызывает нагрев, не имеет значения;
    • Нет необходимости использовать навесное оборудование и аксессуары, конструкция двигателя проста и надежна;
    • Ресурс двигателя с учетом конструктивных особенностей составляет 100 000 часов работы;
    • Работа двигателя не создает посторонних шумов, потому что нет детонации;
    • Процесс работы двигателя не сопровождается выбросами отработавших веществ;
    • Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
    • Процессы в установочных цилиндрах не наносят вреда окружающей среде.Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

    недостатки

    К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

    • Наладить серийное производство сложно, так как конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
    • Большой вес и большие габариты двигателя, так как для эффективного охлаждения необходимо использовать большой радиатор;
    • Для повышения КПД двигатель форсируется с применением в качестве рабочего тела сложных веществ (водород, гелий), что делает работу агрегата опасной;
    • Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняют процесс производства двигателей.Значительные потери тепла в теплообменнике снижают КПД агрегата, а использование специальных материалов удешевляет изготовление двигателя;
    • Для настройки и перехода двигателя из режима в режим необходимо применять специальные устройства управления.

    Использование

    Двигатель Стирлинга

    нашел свою нишу и активно применяется там, где важными критериями являются габариты и всеядность:

    • Двигатель Электрогенератор Стирлинга.

    Механизм преобразования тепла в электрическую энергию.Часто встречаются изделия, используемые в качестве переносных туристических генераторов, установок для использования солнечной энергии.

    • Двигатель, как помпа (электрика).

    Двигатель применяется для установки в контурных системах отопления с экономией электроэнергии.

    • Двигатель как помпа (подогреватель).

    В странах с теплым климатом двигатель используется как обогреватель помещений.

    Двигатель Стирлинга на подводной лодке:


    • Двигатель как помпа (охладитель).

    Практически все холодильники в своей конструкции используют тепловые насосы, устанавливают двигатель Стирлинга, экономят ресурсы.

    • Двигатель, как насос, создающий сверхнизкую степень нагрева.

    Аппарат используется как холодильник. Для этого процесс запускается в обратном направлении. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.

    • Двигатель для подводной техники.

    Летние корабли Швеции и Японии работают через двигатель.

    Двигатель Стирлинга как солнечная установка:


    • Двигатель как аккумулятор.

    Топливо в таких агрегатах, соль плавится, двигатель используется как источник энергии. Мотор по запасам мощности опережает химические элементы.

    Преобразуйте энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае водород или гелий. Двигатель помещен в фокус максимальной концентрации энергии Солнца, создаваемой с помощью параболической антенны.

    Основной принцип работы двигателя Стирлинга — постоянно чередующийся нагрев и охлаждение рабочего тела в замкнутом цилиндре. Обычно рабочим телом выступает воздух, но также используются водород и гелий.

    Цикл двигателя Стирлинга состоит из четырех фаз и разделен на две переходные фазы: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от теплого источника к холодному происходит расширение и сжатие газа в баллоне.Это меняет давление, за счет чего можно получить полезную работу. Поскольку теоретические объяснения крыла ученых мужей, слушать их времена утомительно, поэтому обратимся к наглядной демонстрации двигателя Стерлинга.

    Как работает двигатель Стирлинга
    1. Главный источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Возникающее давление толкает рабочий поршень вверх.
    2. Машина толкает случайный поршень вниз, тем самым перемещая нагретый воздух снизу в охлаждающую камеру.
    3. При охлаждении и сжатии рабочий поршень опускается вниз.
    4. Большой поршень поднимается вверх, перемещая охлажденный воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

    В машине Стирлинга рабочее движение поршня смещено на 90 градусов относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При переключении на 0 градусов машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не производит ее.

    Еще одним изобретением Стирлинга, увеличившим эффективность двигателя, стал регенератор, представляющий собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой для улучшения теплопередачи проходящего газа (на рисунке регенератор заменен ребрами жесткости). радиатор охлаждения).

    В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где в то время работал инженером. В 1938 году Philips инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил с доходностью более 30%.

    Достоинства двигателя Стирлинга:

    1. Всеядность. Можно использовать любое топливо, главное создать перепад температур.
    2. Низкий уровень шума. Поскольку работа строится на перепаде давления рабочего тела, а не на поджоге смеси, то шум по сравнению с двигателем внутреннего сгорания значительно ниже.
    3. Простая конструкция, следовательно, высокий запас прочности.

    Однако все эти преимущества в большинстве случаев пересекаются двумя большими недостатками:

    1.Большие габариты. Рабочую жидкость нужно охлаждать, а это приводит к значительному увеличению массы и габаритов за счет увеличенных радиаторов.
    2. Низкий КПД. Тепло к рабочему телу подводится не напрямую, а только через стенки теплообменников, соответственно потеря КПД УПД.

    С развитием двигателя внутреннего сгорания двигатель Стирлинга ушел … Нет, не в прошлое, а в тень. Успешно эксплуатируется как вспомогательные силовые установки на подводных лодках, в тепловых насосах на тепловых электростанциях, как преобразователи солнечной и геотермальной энергии в электрическую, космические проекты связаны с созданием электростанций, работающих на радиоизотопном топливе (радиоактивный распад происходит с выделением температуры , Кто не знал).Кто знает, может, однажды двигатель Стирлинга ждет большое будущее!

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.