Двигатели внешнего сгорания виды: Двигатели внешнего сгорания виды

Содержание

Двигатели внешнего сгорания виды

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.

Всего около ста лет назад двигателям внутреннего сгорания пришлось в жестокой конкурентной борьбе завоевывать то место, которое они занимают в современном автомобилестроении. Тогда их превосходство отнюдь не представлялось столь очевидным, как в наши дни. Действительно, паровая машина — главный соперник бензинового мотора — обладала по сравнению с ним огромными достоинствами: бесшумностью, простотой регулирования мощности, прекрасными тяговыми характеристиками и поразительной «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 примириться с их недостатками, как с неизбежностью.

В 1950-х годах с появлением газовых турбин и роторных двигателей начался штурм монопольного положения, занимаемого двигателями внутреннего сгорания в автомобилестроении, штурм, до сих пор не увенчавшийся успехом. Примерно в те же годы делались попытки вывести на сцену новый двигатель, в котором поразительно сочетается экономичность и надежность бензинового мотора с бесшумностью и «всеядностью» паровой установки. Это – знаменитый двигатель внешнего сгорания, который шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).

Содержание

Физика процесса

Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем требуется на сжатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, а когда воздух в ней охладится, горлышко затыкают пробкой и быстро переносят в горячую воду. Через несколько секунд раздается хлопок и нагреваемый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова возвратить в ледяную воду — цикл повторится.

в цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга почти в точности воспроизводился этот процесс, пока изобретатель не сообразил, что часть тепла, отнимаемого у газа при охлаждении, можно использовать для частичного подогрева. Нужна лишь какая-то емкость, в которой можно было бы запасать тепло, отнятое у газа при охлаждении, и снова отдавать ему при нагревании.
Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые здесь результаты были весьма посредственны: 5—7 процентов к.п.д., 2 л. с. мощности, 4 тонны веса и 21 кубометр занимаемого пространства.
Двигатели внешнего сгорания не были спасены даже успехом другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предложил нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. 8 1887 году несколько тысяч небольших эриксоновских двигателей отлично работало в типографиях, в домах, на шахтах, на судах. Они наполняли водонапорные баки, приводили а действие лифты. Эриксон пытался даже приспособить их для привода экипажей, но они оказались чересчур тяжелыми. В России до революции большое количество таких двигателей выпускалось под названием «Тепло и сила».
Однако попытки увеличить мощность до 250 л. с. окончились полным провалом. Машина с цилиндром диаметром 4,2 метра развивала меньше 100 л. е., огневые камеры прогорели, и судно, на котором были установлены двигатели, погибло.
Инженеры без сожаления распрощались с этими слабосильными мастодонтами как только появились мощные, компактные и легкие бензомоторы и дизели. И вдруг, в 1960-е, спустя почти 80 лет о «стирлингах» и «эриксонах» (будем условно называть их так по аналогии с дизелем) заговорили как о грозных соперниках двигателей внутреннего сгорания. Разговоры эти не утихают и поныне. Чем же объясняется такой крутой поворот во взглядах?

Цена методичности

Когда узнаешь о старой технической идее, возродившейся в современной технике, сразу же возникает вопрос: что же препятствовало ее осуществлению раньше? В чем состояла та проблема, та «зацепка», без решения которой она не могла проложить себе дорогу в жизнь? И почти всегда выясняется, что своим возрождением старая идея обязана либо новому технологическому методу, либо новой конструкции, до которой не додумались предшественники, либо новому материалу. Двигатель внешнего сгорания можно считать редчайшим исключением.
Теоретические расчеты показывают, что к.п.д. «стирлингов» и «эриксонов» могут достигать 70 процентов — больше, чем у любого другого двигателя. А это значит, что неудачи предшественников объяснялись второстепенными, в принципе устранимыми факторами. Правильный выбор параметров и областей применения, скрупулезное исследование работы каждого узла, тщательная обработка и доводка каждой детали позволили реализовать преимущества цикла. Уже первые экспериментальные образцы дали КПД 39 процентов! (к.п.д. бензиновых двигателей и дизелей, которые отрабатывались годами, соответственно 28—30 и 32—35 процентов.) Какие же возможности «просмотрели» в свое время и Стирлинг и Эриксон?
той самой емкости, в которой попеременно то запасается, то отдается тепло. Расчет регенератора в те времена был просто невозможен: науки о теплопередаче не существовало. Его размеры принимались на глазок, а как показывают расчеты, КПД двигателей внешнего сгорания очень сильно зависит от качества регенератора. Правда, его плохую работу можно в определенной степени компенсировать повышением давления.
Вторая причина неуспеха была в том, что первые установки работали на воздухе при атмосферном давлении: их размеры получались огромными, а мощности — малыми.
Доведя к.п.д. регенератора до 98 процентов и заполнив замкнутый контур сжатым до 100 атмосфер водородом или гелием, инженеры наших дней увеличили экономичность и мощность «стирлингов», которые даже в таком виде показали к.п.д. более высокий, чем у двигателей внутреннего сгорания.
Уже одного этого было бы достаточно, чтобы говорить об установке двигателей внешнего сгорания на автомобилях. Но только высокой экономичностью отнюдь еще не исчерпываются достоинства этих возрожденных из забвения машин.

Как работает Стирлинг

Принципиальная схема двигателя внешнего сгорания:
1 — топливная форсунка;
2 — выпускной патрубок;
3 — элементы воздухоподогревателя;
4 — подогреватель воздуха;
5 — горячие газы;
6 — горячее пространство цилиндра;
7 — регенератор;
8 — цилиндр;
9 — ребра охладителя;
10 — холодное пространство;
11 — рабочий поршень;
12 — ромбический привод;
13 — шатун рабочего поршня;
14 — синхронизирующие шестерни;
15 — камера сгорания;
16 — трубки нагревателя;
17 — горячий воздух;
18 — поршень-вытеснитель;
19 — воздухоприемник;
20 — подвод охлаждающей воды;
21 — уплотнение;
22 — буферный объем;
23 — уплотнение;
24 — толкатель поршня-вытеснителя;
25 — толкатель рабочего поршня;
26 — ярмо рабочего поршня;
27 — палец ярма рабочего поршня;
28 — шатун поршня-вытеснителя;
29 — ярмо поршня-вытеснителя;
30 — коленчатые валы.
Красный фон – контур нагрева;
точечный фон — контур охлаждения

В современной конструкции «стирлинга», работающего на жидком топливе, — три контура, имеющих между собой лишь тепловой контакт. Это контур рабочего тела (обычно водорода или гелия), контур нагрева и контур охлаждения. Главное назначение контура нагрева — поддерживать высокую температуру в верхней части рабочего контура. Контур охлаждения поддерживает низкую температуру в нижней части рабочего контура. Сам контур рабочего тела замкнут.
Контур рабочего тела. В цилиндре 8 движутся два поршня — рабочий 11 и поршень-вытеснитель 18. Движение рабочего поршня вверх приводит к сжатию рабочего тела, движение его вниз вызывается расширением газа и сопровождается совершением полезной работы. Движение поршня-вытеснителя вверх выжимает газ в нижнюю, охлаждаемую полость цилиндра. Движение же его вниз соответствует нагреванию газа. Ромбический привод 12 сообщает поршням перемещение, соответствующее четырем тактам цикла ( <на схеме показаны эти такты).
Такт I — охлаждение рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18 движется вверх, выжимая рабочее тело через регенератор 7, в котором запасается тепло нагретого газа, в нижнюю, охлаждаемую часть цилиндра. Рабочий поршень 11 находится в НМТ.
Такт II — сжатие рабочего тела. Энергия, запасенная в сжатом газе буферного объема 22, сообщает рабочему поршню 11 движение вверх, сопровождающееся сжатием холодного рабочего тела.
Такт III — нагревание рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18, почти примкнув к рабочему поршню 11, вытесняет газ в горячее пространство через регенератор 7, в котором к газу возвращается тепло, запасенное при охлаждении.
Такт IV — расширение рабочего тела — рабочий такт. Нагреваясь в горячем пространстве, газ расширяется и совершает полезную работу. Часть ее запасается в сжатом газе буферного объема 22 для последующего сжатия холодного рабочего тела. Остальное снимается с валов двигателя.
Контур нагрева. Воздух вентилятором нагнетается в воздухоприемник 19, проходит через элементы 3 подогревателя, нагревается и попадает в топливные форсунки. Получившиеся горячие газы нагревают трубки 16 нагревателя рабочего тела, обтекают элементы 3 подогревателя и, отдав свое тепло воздуху, идущему на сжигание топлива, выбрасываются через выпускной патрубок 2 в атмосферу.
Контур охлаждения. Вода через патрубки 20 подается в нижнюю часть цилиндра и, обтекая ребра 9 охладителя, непрерывно охлаждает их.

«Стирлинги» вместо ДВС

Первые же испытания, проведенные пол-века назад, показали, что «стирлинг» почти идеально бесшумен. У него нет карбюратора, форсунок с высоким давлением, системы зажигания, клапанов, свечей. Давление в цилиндре, хотя и повышается почти до 200 атм, но не взрывом, как в двигателе внутреннего сгорания, а плавно. На двигателе не нужны глушители. Ромбовидный кинематический привод поршней полностью уравновешен. Никаких вибраций, никакого дребезжания.
Говорят, что, даже приложив руку к двигателю, не всегда удается определить, работает он или нет. Эти качества автомобильного двигателя особенно важны, ибо в крупных городах остро стоит проблема снижения шума.
А вот другое качество — «всеядность». По сути дела, нет такого источника тепла, который не годился бы для привода «стирлинга». Автомобиль с таким двигателем может работать на дровах, на соломе, на угле, на керосине, на ядерном горючем, даже на солнечных лучах. Он может работать на теплоте, запасенной в расплаве какой-нибудь соли или окисла. Например, расплав 7 литров окиси алюминия заменяет 1 литр бензина. Подобная универсальность не только сможет всегда выручить водителя, попавшего в беду. Она разрешит остро стоящую проблему задымления городов. Подъезжая к городу, водитель включает горелку и расплавляет соль в баке. В черте города топливо не сжигается: двигатель работает на расплаве.
А регулирование? Чтобы сбавить мощность, достаточно выпустить из замкнутого контура двигателя в стальной баллон нужное количество газа. Автоматика сразу же уменьшает подачу топлива так, чтобы температура оставалась постоянной независимо от количества газа. Для повышения мощности газ нагнетается из баллона снова в контур.
Вот только по стоимости и по весу «стирлинги» пока уступают двигателям внутреннего сгорания. На 1 л. с. у них приходится 5 кг, что намного больше, чем у бензинового и дизельного моторов. Но не следует забывать, что это еще первые, не доведенные до высокой степени совершенства модели.
Теоретические расчеты показывают, что при прочих равных условиях «стирлинги» требуют меньших давлений. Это — важное достоинство. И если у них найдутся еще и конструктивные преимущества, то не исключено, что именно они окажутся самым грозным соперником двигателей внутреннего сгорания в автомобилестроении. А вовсе не турбины.

«Стирлинг» от компании GM

Серьезная работа по усовершенствованию двигателя внешнего сгорания, начавшаяся через 150 лет после его изобретения, уже принесла свои плоды. Предложены различные конструктивные варианты двигателя, работающего по циклу Стирлинга. Есть проекты моторов с наклонной шайбой для регулирования хода поршней, запатентован роторный двигатель, в одной из роторных секций которого происходит сжатие, в другой — расширение, а подвод и отвод тепла осуществляется в соединяющих полости каналах. Максимальное давление в цилиндрах отдельных образцов доходит до 220 кГ/см 2 , а среднее эффективное давление — до 22 и 27 кГ/см 2 и более. Экономичность доведена до 150 г/л.с./час.
Наибольшего прогресса достигла компания General Motors, которая в 1970-е годы построила V-образный «стирлинг» с обычным кривошипно-шатунным механизмом. Один цилиндр у него рабочий, другой — компрессионный. В рабочем находится только рабочий поршень, а поршень-вытеснитель — в компрессионном цилиндре. Между цилиндрами расположены подогреватель, регенератор и охладитель. Угол сдвига фаз, иначе говоря угол отставания одного цилиндра от другого, у этого «стирлинга» равен 90°. Скорость одного поршня должна быть максимальной в тот момент, когда скорость другого равна нулю (в верхней и нижней мертвых точках). Смещение фаз в движении поршней достигается расположением цилиндров под углом 90°. Конструктивно это самый простой «стирлинг». Но он уступает двигателю с ромбическим кривошипным механизмом в уравновешенности. Для полного уравновешивания сил инерции в V-образном двигателе число его цилиндров должно быть увеличено с двух до восьми.

Принципиальная схема V-образного «стирлинга»:
1 — рабочий цилиндр;
2 — рабочий поршень;
3 — подогреватель;
4 — регенератор;
5 — теплоизолирующая муфта;
6 — охладитель;
7 — компрессионный цилиндр.

Рабочий цикл в таком двигателе протекает следующим образом.
В рабочем цилиндре 1 газ (водород или гелий) нагрет, в другом, компрессионном 7 — охлажден. При движении поршня в цилиндре 7 вверх газ сжимается — такт сжатия. В это время начинает двигаться вниз поршень 2 в цилиндре 1. Газ из холодного цилиндра 7 перетекает в горячий 1, проходя последовательно через охладитель 6, регенератор 4 и подогреватель 3 — такт нагревания. Горячий газ расширяется в цилиндре 1, совершая работу, — такт расширения. При движении поршня 2 в цилиндре 1 вверх газ перекачивается через регенератор 4 и охладитель 6 в цилиндр 7 — такт охлаждения.
Такая схема «стирлинга» наиболее удобна для реверсирования. В объединенном корпусе подогревателя, регенератора и охладителя (об их устройстве речь пойдет позже) для этого сделаны заслонки. Если перевести их из одного крайнего положения в другое, то холодный цилиндр станет горячим, а горячий — холодным, и двигатель будет вращаться в обратную сторону.
Подогреватель представляет собой набор трубок из жаростойкой нержавеющей стали, по которым проходит рабочий газ. Трубки нагреваются пламенем горелки, приспособленной для сжигания различных жидких топлив. Тепло от нагретого газа запасается в регенераторе. Этот узел имеет большое значение для получения высокого КПД. Он выполнит свое назначение, если будет передавать примерно в три раза больше тепла, чем в подогревателе, и процесс займет меньше 0,001 секунды. Словом, это быстродействующий аккумулятор тепла, причем скорость теплопередачи между регенератором и газом составляет 30 000 градусов в секунду. Регенератор, КПД которого равен 0,98 единицы, состоит из цилиндрического корпуса, в котором последовательно расположены несколько шайб, изготовленных из проволочной путанки (диаметр проволоки 0,2 мм). Чтобы тепло от него не передавалось холодильнику, между этими агрегатами установлена теплоизолирующая муфта. И наконец, охладитель. Он выполнен в виде водяной рубашки на трубопроводе.
Мощность «стирлинга» регулируется изменением давления рабочего газа. Для этой цели двигатель оборудуется газовым баллоном и специальным компрессором.

Достоинства и недостатки

Чтобы оценить перспективы применения «стирлинга» на автомобилях, проанализируем его достоинства и недостатки. Начнем с одного из важнейших для теплового двигателя параметров, так называемого теоретического КПД Для «стирлинга» он определяется следующей формулой:

где η – КПД, Тх — температура «холодного» объема и Тг — температура «горячего» объема. Количественно этот параметр у «стирлинга» — 0,50. Это значительно больше, чем у самых лучших газовых турбин, бензиновых и дизельных двигателей, у которых теоретический КПД соответственно равен 0,28; 0,30; 0,40.
Как двигатель внешнего сгорания. стирлинг» может работать на различных топливах: бензине, керосине, дизельном, газообразном и даже на твердом. Такие характеристики топлива, как цетановое и октановое числа, зольность, температура выкипания при горении вне цилиндра двигателя, для «стирлинга» не имеют значения. Чтобы он работал на разных топливах, не требуется больших переделок — достаточно лишь заменить горелку.
Двигатель внешнего сгорания, в котором горение протекает стабильно с постоянным коэффициентом избытка воздуха, равным 1.3. выделяет значительно меньше, чем двигатель внутреннего сгорания, окиси углерода, углеводородов и окислов азота.
Малая шумность «стирлинга» объясняется низкой степенью сжатия (от 1,3 до 1,5). Давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом, как в бензиновом или дизельном двигателе. Отсутствие колебаний столба газов в выпускном тракте определяет бесшумность выхлопа, что подтверждено испытаниями двигателя, разработанного фирмой «Филлипс» совместно с фирмой Ford для автобуса.
«Стирлинг» отличается малым расходом масла и высокой износостойкостью благодаря отсутствию в цилиндре активных веществ и относительно низкой температуре рабочего газа, а надежность его выше, чем у известных нам двигателей внутреннего сгорания, так как в нем нет и сложного газораспределительного механизма.
Важное преимущество «стирлинга» как автомобильного двигателя — повышенная приспособляемость к изменениям нагрузки. Она, например, на 50 процентов выше, чем у карбюраторного мотора, за счет чего можно уменьшить число ступеней в коробке передач. Однако совсем отказаться от сцепления и коробки передач, как в паровом автомобиле, нельзя.
Но почему же двигатель с такими очевидными достоинствами до сих пор не нашел практического применения? Причина проста — у него немало еще неустраненных недостатков. Главнейшие среди них — большая сложность в управлении и регулировке. Существуют и другие «рифы», которые не так просто обойти и конструкторам и производственникам.— в частности, поршням нужны очень эффективные уплотнения, которые должны выдерживать высокое давление (до 200 кГ/см2) и препятствовать попаданию масла в рабочую полость. Во всяком случае, 25-летняя работа фирмы «Филлипс» по доводке своего двигателя пока не смогла сделать его пригодным для массового применения на автомобилях. Немаловажное значение имеет характерная особенность «стирлинга» — необходимость отводить с охлаждающей водой большое количество тепла. В двигателях внутреннего сгорания значительная часть тепла выбрасывается в атмосферу вместе с отработавшими газами. В «стерлинге» же в выхлоп уходит только 9 процентов тепла, получаемого при сгорании топлива. Если в бензиновом двигателе внутреннего сгорания с охлаждающей водой отводится от 20 до 25 процентов тепла, то в «стирлинге» — до 50 процентов. Это значит, что автомобиль с таким двигателем должен иметь радиатор примерно в 2—2.5 раза больше, чем у аналогичного бензинового мотора. Недостатком «стирлинга» является и его высокий удельный вес по сравнению с распространенным ДВС. Еще довольно существенный минус — трудность повышения быстроходности: уже при 3600 об/мин значительно возрастают гидравлические потери и ухудшается теплообмен. И наконец. «стирлинг» уступает обычному двигателю внутреннего сгорания в приемистости.
Работы по созданию и доводке автомобильных «стирлингов», в том числе для легковых машин, продолжаются. Можно считать, что в настоящее время принципиальные вопросы решены. Однако еще много дел по доводке. Применением легких сплавов можно понизить удельный вес двигателя, но он все равно будет выше. чем у мотора внутреннего сгорания, из-за более высокого давления рабочего газа. Вероятно, двигатель внешнего сгорания найдет применение в первую очередь на грузовых автомобилях, особенно военных — благодаря своей нетребовательности к топливу.

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.

История [ править | править код ]

Двигатели внешнего сгорания были изобретены 203 года тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырёхтактным 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 XIX 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 XIX 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 XIX века, рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания ниже по сравнению со стоимостью производства двигателя внешнего сгорания.

Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2. Однако до недавнего времени выбросам СО2 не уделялось должного внимания.

Двигатель Стирлинга. Виды и конструкции. Устройство и работа

Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

Устройство и принцип работы

Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.

В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.

В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.

Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.

В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.

В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.

Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.

В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.

В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.

Разные конструкции

Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.

Конструкция исполнения «Альфа»

Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.

Конструкция исполнения «Бета»

Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.

Конструкция исполнения «Гамма»

Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

Преимущества
  • Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
  • Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
  • Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
  • Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
  • Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.

  • В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.
Недостатки
  • При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
  • Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
  • Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
  • Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.
Двигатель Стирлинга и его использование

При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.

  • Универсальные источники электричества. Моторы Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют проекты солнечных электроустановок с применением таких двигателей. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители изготавливают генераторы, действующие от газовой конфорки. Существуют также проекты генераторов, которые работают от радиоизотопных источников тепла.
  • Насосы. Если в контуре системы отопления установлен насос, то эффективность отопления значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливают насосы. Электрический насос может выйти из строя, к тому же, он потребляет электрическую энергию. Насос, действующий по принципу Стирлинга, решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкостей будет проще обычной схемы, так как вместо поршня может применяться сама перекачиваемая жидкость, служащая также для охлаждения.
  • Холодильное оборудование. В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свои изделия двигатель Стирлинга, которые будут очень экономичны. Рабочим телом будет выступать воздух.
  • Сверхнизкие температуры. Для сжижения газов такие моторы очень эффективны. Их использование более выгодное, чем турбинные устройства. Также двигатель Стирлинга применяется в устройствах для охлаждения датчиков точных приборов.

  • Солнечные электростанции. Электрическую энергию можно получать путем преобразования энергии солнца. Для этого могут применяться двигатели Стирлинга, которые устанавливают в фокус зеркала так, чтобы место нагрева непрерывно освещалось лучами солнца. Отражатель управляется по мере перемещения солнца, энергия которого концентрируется на малой площади. При этом происходит отражение излучения зеркалами около 92%. Рабочим телом двигателя служит чаще всего гелий или водород.
  • Аккумуляторы тепла. С помощью устройства Стирлинга можно резервировать тепловую энергию, используя теплоаккумуляторы на основе расплавов солей. Такие устройства имеют запас энергии, превосходящий химические аккумуляторы, и имеют меньшую стоимость. Применяя для регулировки мощности увеличение и уменьшение угла фазы между двумя поршнями, можно накапливать механическую энергию, осуществляя торможение двигателя. При этом двигатель служит тепловым насосом.
  • Автомобилестроение. Несмотря на сложности, существуют действующие модели мотора Стирлинга, использующиеся для автомобилей. Заинтересованность в таком двигателе, подходящем для автомобиля, возникла еще в прошлом веке. Разработки в этом направлении проводили английские и немецкие автоконцерны. В Швеции также был разработан двигатель Стирлинга, в котором применялись унифицированные серийные агрегаты и узлы. В результате получился 4-цилиндровый мотор, параметры которого сравнимы с характеристиками небольшого дизельного двигателя. Этот двигатель был успешно испытан в качестве силового агрегата для многотонного грузовика.

Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.

Похожие темы:

★ Двигатель внешнего сгорания — cтатьи о двигателях .. Инфо

Пользователи также искали:

бензиновый двигатель внутреннего сгорания, двигатель внешнего сгорания где используется, двигатель внешнего сгорания примеры, двигатель внешнего сгорания, двигатель внутреннего сгорания 4 серия, двигатель внутреннего сгорания это, двигатель внутреннего сгорания физика, двигатель внутреннего сгорания все серии, гольф 6 двигатель, hyundai tucson 2007 двигатель, книги по двигателям внутреннего сгорания, mitsubishi l200 масло в двигатель объем, можно ли пользоваться духовкой без внешнего стекла, nissan rogue двигатель, шевроле каптива двигатель 2.4 отзывы, шкода фабия 1.4 мpi какое масло заливать в двигатель, шкода фабия 2006 двигатель 1.2 отзывы, шкода октавия двигатель 1.4 отзывы, шкода румстер 1.4 бензин двигатель, система охлаждения двигателя внутреннего сгорания трактора к — 700, двс, сгорания, внутреннего, двигатель, изобрел, системы двс, виды двс, применение двс, классификация двс, принцип, работы, системы, виды, физика, применение, классификация, двс принцип работы, двс это, внешнего, внешнего сгорания, Двигатель, двигатель внешнего, двигатель внешнего сгорания, Двигатель внешнего сгорания, двигателя, двигатели, двигатели внешнего сгорания, двигателя внешнего сгорания, двигателей, двигателем,

                                     

АНАЭРОБНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ. словосочетанию внутреннее сгорание, и к самому процессу мы привыкли более чем основательно – настолько, что возгорание топлива за. .. RU160122U1 АВТОНОМНАЯ КОГЕНЕРАЦИОННАЯ. синхронного двигателя за бегущим магнитным полем! Здесь определение строго следует, подразумевает, что ротор. .. ДВУХРОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ. журнале Наука и жизнь № 3 за 2007 год была напечатана статья доктора технических наук В. Нисковских. .. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ. Двигатель внешнего сгорания. На рубеже веков человечество смотрит в будущее с надеждой. Надежда эта вполне оправдана: ученая мысль не стоит. .. Существуют ли двигатели внешнего сгорания?. 3 мар 2013 Это модель двигателя Стирлинга сделана показать мотор внешнего сгорания в действии. у этой модели силы хватает что бы. .. Двигатели внешнего сгорания. Принцип действии двигатели внешнего сгорании разработал запатентовал 1816 г. шотландский священник Роберт Стирлинг, в честь которого он и. .. СТИРЛИНГ ПО РОССИЙСКИ Наука и жизнь. внешнего сгорания представляет собой тепловой двигатель, в котором происходит сжатие внутренней рабочей жидкости и ее нагревание. .. внешнего сгорания двигатель Стирлинга YouTube. 12 апр 2019 Да, двигатели внешнего сгорания существуют, и многие учёные считают, что именно за этими двигательными установками будущее.. .. Анаэробные тепловые двигатели внешнего сгорания – тема. рые отсутствуют в двигателях. Двигатели внешнего сгорания на базе пульсационной трубы и термоакустического эффекта явля -.. .. Вечный двигатель. Почему Нобелевская премия по псковичам. 27 июл 2014 Патент RU143562U1: Двухроторный двигатель внешнего сгорания МАРГ ТИМ относится к области двигателестроения и является. Роторные двигатели внешнего сгорания. 27 янв 2010 Компания Power Technologies разместила техническую документацию по двигателю внешнего сгорания Cyclone в открытый. .. РОТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ Наука и жизнь. 27 июн 2012 Широко известен изобретенный в 1816 году двигатель внешнего сгорания Стирлинга, являющийся одним из самых конструктивно и. .. Двигатель внешнего сгорания. 7 дек 2014 Псков, если кто не в курсе, является родиной двигателя внешнего сгорания который давно уже должен был прийти на смену двигателю. .. Двигатель внешнего сгорания – за ним будущее! Журнал Лучик. 9 фев 2011 Псковские учёные сконструировали двигатель Стирлинга мощный, маленький, экологичный, с высоким КПД сюжет НТВ 2009 год.. .. Как работает Двигатель внешнего сгорания? – Яндекс.Знатоки. Анаэробные, т.е. воздухонезависимые двигатели, находят применение ракетной космической технике, на подводных судах и в труднодоступных. .. Двигатель внешнего сгорания – тема научной статьи по. В отличие от широко известного процесса внутреннего, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания,. .. RU2454546C2 РОТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ И. Роторный двигатель внешнего сгорания состоит из двух цилиндров, соединенных двумя ветками трубопроводов высокого и низкого давления для. .. двигатель внешнего сгорания. YouTube. 10 мар 2016 Автономная когенерационная установка двигателем внешнего сгорания на топливной щепе, состоящая из двигателя Стирлинга с. .. Новый двигатель будущего Cyclone в открытом доступе Хабр. В данной статье рассмотрены перспективы использования двигателя внешнего сгорания для генерации электрической энергии из. .. Двигатели внешнего сгорания Bioliquids CHP Power. Первые тепловые машины созданные человечеством были машинами внешнего сгорания. Они широко для того времени использовались в.

Современный двигатель внешнего сгорания. Двигатель стирлинга. Преимущества двигателя внешнего сгорания

Принцип работы

Предлагаемая инновационная технология основана на использовании высокоэффективного четырехцилиндрового двигателя внешнего сгорания. Это — тепловой двигатель. Тепло может поставляться от внешнего источника тепла или производиться путем сжигания широкого спектра видов топлива внутри камеры сгорания.

Тепло поддерживается при постоянной температуре в одном отделении двигателя, где оно преобразуется в водород, находящийся под давлением. Расширяясь, водород толкает поршень. В отделении двигателя с низкой температурой водород охлаждается при помощи аккумуляторов тепла и охладителей жидкости. При расширении и сжатии водород вызывает возвратно-поступательное движение поршня, которое преобразуется во вращательное движение при помощи наклонной шайбы, которая приводит в действие стандартный, емкостный электрический генератор. В процессе охлаждения водорода также производится тепло, которое можно использовать для комбинированного производства электроэнергии и тепла во вспомогательных процессах.

Общее описание

Теплоэнергетическая установка FX-38 представляет собой единый модуль «двигатель-генератор», который включает двигатель внешнего сгорания, систему сгорания, работающую на пропане, природном газе, попутном нефтяном газе, других видах топлива со средней и низкой энергоемкостью (биогаз), индуктивный генератор, систему контроля двигателя, защищенный от атмосферных воздействий корпус со встроенной системой вентиляции и другое вспомогательное оборудование для параллельной работы с сетью высокого напряжения.

Номинальная мощность по электричеству при работе на природном газе или биогазе при частоте 50 Гц составляет 38 кВт. Кроме того, установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла с поставляемой по специальному заказу системой комбинированного производства тепла и электроэнергии.

Установка FX-38 может быть оснащена различными опциями системы охлаждения для обеспечения гибкости схемы установки. Продукт разработан для простого подключения к электрическим контактам, системам подачи топлива и внешним трубам системы охлаждения, если оборудованы таковыми.

Дополнительные детали и опции

  • Модуль измерения мощности (обеспечивает установленный трансформатор тока для считывания на дисплее параметров переменного тока)
  • Опция дистанционного мониторинга по интерфейсу RS-485
  • Опции встроенного, либо удаленно смонтированного радиатора
  • Опция использования пропанового топлива
  • Опция использования природного газа
  • Опция использования попутного нефтяного газа
  • Опция использования топлива низкой энергоемкости

Установка FX-48 может применяться в нескольких вариантах следующим образом:

  • Параллельное подключение к высоковольтной сети при 50 Гц, 380 В переменного тока
  • Режим совместной выработки тепла и электроэнергии

Эксплуатационные характеристики установки

В режиме производства электроэнергии и тепла при частоте 50 Гц установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла. Продукт оборудован системой труб, готовой для подключения к поставляемому заказчиком теплообменнику типа жидкость/жидкость. Горячая сторона теплообменника представляет собой схему замкнутого цикла с охладителем кожуха двигателя и встроенным радиатором системы, если таковые присутствуют. Холодная сторона теплообменника предназначена для схем теплоприемника заказчика.

Техническое обслуживание

Установка предназначена для непрерывной работы и отбора мощности. Базовая проверка эксплуатационных характеристик проводится заказчиком с интервалом в 1000 часов и включает проверку системы водяного охлаждения и уровня масла. Через 10000 часов эксплуатации производится обслуживание передней части установки, включающее замену поршневого кольца, сальника штока, ремня привода и различных сальников. Специфические ключевые компоненты проверяются на износ. Скорость работы двигателя составляет 1500 оборотов в минуту для работы на частоте 50 Гц.

Бесперебойность

Бесперебойность работы установки составляет свыше 95%, исходя из интервалов эксплуатации, и учитывается при графике технического обслуживания.

Уровень звукового давления

Уровень звукового давления блока без встроенного радиатора составляет 64 дБА на расстоянии 7 метров. Уровень звукового давления блока с встроенным радиатором с вентиляторами охлаждения составляет 66 дБА на расстоянии 7 метров.

Выбросы

При работе на природном газе выбросы двигателя меньше или равны 0,0574 г/Нм 3 NO x , 15,5 г/Нм 3 летучих органических соединений и 0,345 г/Нм 3 СО.

Газообразное топливо

Двигатель рассчитан на работу на различных типах газообразного топлива со значениями низшей теплоты сгорания от 13,2 до 90,6 МДж/Нм 3 , попутный нефтяной газ, природный газ, угольный метан, газ вторичной переработки, пропан и биогаз полигонов ТБО. Для охвата данного диапазона устройство может быть заказано со следующими конфигурациями топливной системы:

Система сгорания требует регулируемого давления подачи газа в 124-152 мбар для всех типов топлива.

Окружающая среда

Установка в стандартном исполнении работает при температуре окружающей среды от -20 до +50°С.

Описание установки

Теплоэнергетическая установка FX-38 полностью готова для выработки электроэнергии в заводской поставке. Встроенный электрический пульт монтируется на блок для удовлетворения требований интерфейса и контроля. Устойчивый к атмосферным воздействиям цифровой дисплей, встроенный в электрический пульт, обеспечивает оператору интерфейс запуска, остановки и перезапуска с помощью кнопок. Электрический пульт также служит основным местом подключения оконечного электрического устройства заказчика, а также с оконечными устройствами проводной связи.

Установка способна достигать выходной мощности полной нагрузки примерно через 3-5 минут с момента запуска в зависимости от изначальной температуры системы. Последовательность запуска и установки приводится в действие нажатием кнопки.

После команды пуска установка подключается к высоковольтной сети путем закрытия внутреннего контактора на сеть. Двигатель немедленно поворачивается, очищая камеру сжигания до открытия топливных клапанов. После открытия топливного клапана энергия подается на запальное устройство, поджигая топливо в камере сжигания. Наличие сжигания определяется по повышению температуры рабочего газа, что приводит в действие процедуру управления разгоном до точки рабочей температуры. После этого пламя остается самоподдерживающимся и постоянным.

После команды остановки установки сначала закрывается топливный клапан для прекращения процесса сжигания. По прошествии предварительно установленного времени, в течение которого механизм охлаждается, откроется контактор, отключая установку от сети. В случае если таковые установлены, вентиляторы радиатора могут работать некоторое время для уменьшении температуры охлаждающей жидкости.

В установке используется двигатель внешнего сгорания с постоянной длиной хода, подключенный к стандартному индукционному генератору. Устройство работает параллельно с высоковольтной сетью или параллельно с системой распределения энергии. Индукционный генератор не создает своего собственного возбуждения: он получает возбуждение от подключенного источника электросети. Если напряжение в электросети исчезает, установка отключается.

Описание узлов установки

Конструкция установки обеспечивает ее простой монтаж и подключение. Имеются внешние соединения для топливных труб, оконечных устройств электроэнергии, интерфейсов коммуникаций и, если это предусмотрено, внешнего радиатора и система труб теплообменника жидкость/жидкость. Установку можно заказать в комплекте со встроенным или удаленно монтированным радиатором и/или системой труб теплообменника жидкость/жидкость для охлаждения двигателя. Также предоставляются инструменты для безопасного отключения и логические схемы управления, разработанные специально для желаемого режима работы.

Кожух имеет две эксплуатационные панели на каждой стороне отделения двигатель/генератор и внешнюю однопетельную дверь для доступа к электрическому отделению.

Вес установки: около 1770 кг.

Двигатель является 4-цилиндровым (260 см 3 /цилиндр) двигателем внешнего сгорания, поглощающим тепло непрерывного сжигания газового топлива в камере внутреннего сгорания, и включает следующие встроенные компоненты:

  • Вентилятор подачи воздуха в камеру сгорания, приводится в действие двигателем
  • Воздушный фильтр камеры сгорания
  • Топливная система и кожух камеры сгорания
  • Насос для смазочного масла, приводится в действие двигателем
  • Охладитель и фильтр для смазочного масла
  • Водяной насос системы охлаждения двигателя, приводится в действие двигателем
  • Температурный датчик воды в системе охлаждения
  • Датчик давления смазочного масла
  • Датчик давления и температуры газа
  • Все необходимое контрольное и защитное оборудование

Характеристики генератора приводятся ниже:

  • Номинальная мощность 38 кВт при 50 Гц, 380 В переменного тока
  • Электрический КПД 95,0% при коэффициенте мощности 0,7
  • Возбуждение от коммунальной электросети при помощи индукционного мотора/генераторного возбудителя
  • Менее 5% общих гармонических искажений от отсутствия нагрузки до полной нагрузки
  • Класс изоляции F

Интерфейс оператора – цифровой дисплей обеспечивает управление установкой. Оператор может запустить и остановить установку с цифрового дисплея, посмотреть время работы, рабочие данные и предупреждения/сбои. При установке опционального модуля измерения мощности оператор может видеть многие электрические параметры, такие как вырабатываемая мощность, киловатт-часы, киловатт-амперы и коэффициент мощности.

Функция диагностики оборудования и сбора данных встроена в систему контроля установки. Диагностическая информация упрощает удаленный сбор данных, отчет по данным и устранение неисправностей устройства. Эти функции включают сбор системных данных, таких как информация о рабочем состоянии, все механические рабочие параметры, такие как температура и давление цилиндров, а также, если подключен опциональный измеритель мощности, – электрические параметры значений вырабатываемой мощности. Данные могут быть переданы через стандартный порт соединения RS-232 и показаны на персональном компьютере или ноутбуке при помощи программного обеспечения для сбора данных. Для нескольких установок или в случаях, когда расстояние передачи сигнала превышает возможности RS-232, для получения данных используется опциональный порт RS-485 с использованием протокола MODBUS RTU.

Для переноса горячих выхлопных газов от системы сгорания используются трубы из нержавеющей стали. К выхлопной трубе в месте выхода из кожуха прикреплена сбалансированная выхлопная заслонка с защитным колпаком от дождя и снега.

Для охлаждения могут применяться различные прикладные технологии и конфигураций:

Встроенный радиатор – предоставляет собой радиатор, рассчитанный на температуру окружающей среды до +50°C. Все трубы подключаются в заводских условиях. Это типичная технология в случае, если не используется утилизация отходящего тепла.

Внешний радиатор – предназначен для установки заказчиком, рассчитан на температуру окружающей среды до +50°C. Короткие несущие ножки поставляются с радиатором для монтажа на контактном столике. При необходимости установки в помещении можно использовать данный вариант вместо предоставления системы вентиляции, требуемой для подачи охлаждающего воздуха во встроенный радиатор.

Внешняя система охлаждения – предоставляет систему труб снаружи кожуха для поставляемой заказчиком системы охлаждения. Ей может выступать теплообменник или удаленно монтированный радиатор.

Хладагент состоит из 50% воды и 50% этиленгликоля по объему: можно заменить смесью пропиленгликоля и воды, при необходимости.

Установка FX-38 использует водород в качестве рабочего тела для приведения в движение поршней двигателей по причине высоких способностей водорода к передаче тепла. В нормальном режиме работы потребляется предсказуемое количество водорода из-за нормальных утечек, вызванных проницаемостью материала. Для учета этого темпа потребления место установки требует наличия одного или нескольких наборов баллонов с водородом, отрегулированных и подсоединенных к блоку. Внутри установки встроенный водородный компрессор увеличивает давление в баллоне до более высокого давления в двигателе и вводит малые порции по запросу встроенного программного обеспечения. Встроенная система не требует технического обслуживания, а баллоны подлежат замене в зависимости от работы двигателя.

Для подачи топлива поставляется труба со стандартной трубной резьбой 1 дюйм для всех стандартных типов топлива, за исключением низкоэнергетических вариантов, для которых используется стандартная трубная резьба 1 1 / 2 дюйма. Требования к давлению топлива для всех видов газообразного топлива составляют от 124 до 152 мбар.

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.

Цикл работы двигателя 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. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Поскольку теоретические объяснения удел ученых мужей, слушать их временами утомительно, поэтому перейдем к наглядной демонстрации работы двигателя Стерлинга.

Как работает двигатель Стирлинга
1.Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх.
2.Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
3.Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.
4.Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

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

Еще одним изобретением Стирлинга, увеличившим КПД двигателя стал регенератор, который представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой для улучшения теплоотдачи проходящего газа (на рисунке регенератор заменен ребрами радиатора охлаждения).

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %.

Достоинства двигателя Стирлинга:

1. Всеядность. Можно использовать любое топливо, главное создать разницу температур.
2. Низкая шумность. Поскольку работа построена на перепаде давления рабочей жидкости, а не на поджоге смеси, то шумность по сравнению с двигателем внутреннего сгорания существенно ниже.
3. Простота конструкции, отсюда высокий запас прочности.

Однако все эти достоинства в большинстве случаев перечеркиваются двумя большими недостатками:

1. Большие габариты. Рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массы и размеров за счёт увеличенных радиаторов.
2. Низкий КПД. Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников, соответственно потери КПД велики.

С развитием двигателя внутреннего сгорания двигатель Стирлинга ушел…нет не в прошлое, а в тень. Он с успехом эксплуатируется в качестве вспомогательных силовых установок на подводных лодках, в тепловых насосах на теплоэлектростанциях, в качестве преобразователей солнечной и геотермальной энергии в электрическую, с ним связаны космические проекты по созданию силовых установок работающих на радиоизотопном топливе (радиоактивный распад происходит с выделением температуры, кто не знал).Кто знает, возможно однажды двигатель Стирлинга ждет большое будущее!

Всего около ста лет назад двигателям внутреннего сгорания пришлось в жестокой конкурентной борьбе завоевывать то место, которое они занимают в современном автомобилестроении. Тогда их превосходство отнюдь не представлялось столь очевидным, как в наши дни. Действительно, паровая машина — главный соперник бензинового мотора — обладала по сравнению с ним огромными достоинствами: бесшумностью, простотой регулирования мощности, прекрасными тяговыми характеристиками и поразительной «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 примириться с их недостатками, как с неизбежностью.
В 1950-х годах с появлением газовых турбин и роторных двигателей начался штурм монопольного положения, занимаемого двигателями внутреннего сгорания в автомобилестроении, штурм, до сих пор не увенчавшийся успехом. Примерно в те же годы делались попытки вывести на сцену новый двигатель, в котором поразительно сочетается экономичность и надежность бензинового мотора 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 процесса

Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем требуется на сжатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, а когда воздух в ней охладится, горлышко затыкают пробкой и быстро переносят в горячую воду. Через несколько секунд раздается хлопок и нагреваемый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова возвратить в ледяную воду — цикл повторится.
в цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга почти в точности воспроизводился этот процесс, пока изобретатель не сообразил, что часть тепла, отнимаемого у газа при охлаждении, можно использовать для частичного подогрева. Нужна лишь какая-то емкость, в которой можно было бы запасать тепло, отнятое у газа при охлаждении, и снова отдавать ему при нагревании.
Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые здесь результаты были весьма посредственны: 5-7 процентов к.п.д., 2 л. с. мощности, 4 тонны веса и 21 кубометр занимаемого пространства.
Двигатели внешнего сгорания не были спасены даже успехом другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предложил нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. 8 1887 году несколько тысяч небольших эриксоновских двигателей отлично работало в типографиях, в домах, на шахтах, на судах. Они наполняли водонапорные баки, приводили а действие лифты. Эриксон пытался даже приспособить их для привода экипажей, но они оказались чересчур тяжелыми. В России до революции большое количество таких двигателей выпускалось под названием «Тепло и сила».

Современное автомобилестроение вышло на такой уровень развития, при котором без фундаментальных научных исследований практически невозможно достигнуть кардинальных улучшений в конструкции традиционных моторов внутреннего сгорания. Такая ситуация вынуждает конструкторов обратить внимание на альтернативные проекты силовых установок . Одни инженерные центры сосредоточили свои силы на создании и адаптации к серийному выпуску гибридных и электрических моделей, другие автоконцерны вкладывают средства в разработку двигателей на топливе из возобновляемых источников (например, биодизель на рапсовом масле). Существуют и другие проекты силовых агрегатов, которые в перспективе могут стать новым стандартным движителем для транспортных средств.

Среди возможных источников механической энергии для автомобилей будущего следует назвать двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине XIX века шотландцем Робертом Стирлингом в качестве тепловой расширительной машины.

Схема работы

Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу за счет изменения температуры рабочего тела (газа или жидкости), циркулирующего в замкнутом объеме.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга.

Стирлинг модификации «Альфа»

Двигатель состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Стирлинг модификации «Бета»

Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположного конца. В цилиндре двигается силовой поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема рабочего газа. Обратное перемещение остывшего рабочего вещества в горячую полость двигателя выполняет регенератор.

Стирлинг модификации «Гамма»

Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый — полностью холодный, в котором движется силовой поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, служит для перемещения вытеснителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или входить в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность : двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.

Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло — силовой агрегат продолжал устойчиво работать.

Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга бесшумен , так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.

В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.

Недостатки конструкции Стирлинга

При всем наборе положительных свойств немедленное массовое применение двигателей Стирлинга невозможно по следующим причинам:

Основная проблема заключается в материалоемкости конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки.

Нынешний технологический уровень позволит двигателю Стирлинга сравниться по характеристикам с современными бензиновыми моторами только за счет применения сложных видов рабочего тела (гелий или водород), находящихся под давлением более ста атмосфер. Этот факт вызывает серьезные вопросы как в области материаловедения, так и обеспечения безопасности пользователей.

Немаловажная эксплуатационная проблема связана с вопросами теплопроводности и температурной стойкости металлов. Тепло подводится к рабочему объему через теплообменники, что приводит к неизбежным потерям. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из термостойких металлов, устойчивых к высокому давлению. Подходящие материалы очень дороги и сложны в обработке.

Принципы изменения режимов двигателя Стирлинга также кардинально отличаются от традиционных, что требует разработки специальных управляющих устройств. Так, для изменения мощности необходимо изменить давление в цилиндрах, угол фаз между вытеснителем и силовым поршнем или повлиять на емкость полости с рабочим телом.

Один из способов управления скоростью вращения вала на модели двигателя Стирлинга можно увидеть на следующем видео:

Коэффициент полезного действия

В теоретических расчетах эффективность двигателя Стирлинга зависит от разницы температур рабочего тела и может достигать 70% и более в соответствии с циклом Карно.

Однако первые реализованные в металле образцы обладали крайне невысоким КПД по следующим причинам:

  • неэффективные варианты теплоносителя (рабочего тела), ограничивающие максимальную температуру нагрева;
  • потери энергии на трение деталей и теплопроводность корпуса двигателя;
  • отсутствие конструкционных материалов, устойчивых к высокому давлению.

Инженерные решения постоянно совершенствовали устройство силового агрегата. Так, во второй половине XX века четырехцилиндровый автомобильный двигатель Стирлинга с ромбическим приводом показал на испытаниях КПД равный 35% на водном теплоносителе с температурой 55 °C.Тщательная проработка конструкции, применение новых материалов и доводка рабочих узлов обеспечили КПД экспериментальных образцов в 39%.

Примечание! Современные бензиновые двигатели аналогичной мощности обладают коэффициентом полезного действия на уровне 28-30%, а турбированные дизели в пределах 32-35%.

Современные образцы двигателя Стирлинга, такие как созданный американской компанией Mechanical Technology Inc, демонстрируют эффективность до 43,5%. А с освоением выпуска жаропрочной керамики и аналогичных инновационных материалов появится возможность значительного повышения температуры рабочей среды и достижения КПД в 60%.

Примеры успешной реализации автомобильных Стирлингов

Несмотря на все сложности, известно немало работоспособных моделей двигателя Стирлинга, применимых для автомобилестроения.

Заинтересованность в Стирлинге, подходящем для установки в автомобиль, появилась в 50-е годы XX века. Работу в данном направлении вели такие концерны, как Ford Motor Company, Volkswagen Group и другие.

Компания UNITED STIRLING (Швеция) разработала Стирлинг, в котором максимально использовались серийные узлы и агрегаты, выпускаемые автопроизводителями (коленчатый вал, шатуны). Получившийся в результате четырехцилиндровый V-образный мотор обладал удельной массой 2,4 кг/кВт, что сравнимо с характеристиками компактного дизеля. Данный агрегат был успешно опробован в качестве силовой установки семитонного грузового фургона.

Одним из успешных образцов является четырехцилиндровый двигатель Стирлинга нидерландского производства модели «Philips 4-125DA», предназначавшийся для установки на легковой автомобиль. Мотор имел рабочую мощность 173 л. с. в размерах, аналогичных классическому бензиновому агрегату.

Значительных результатов добились инженеры компании General Motors, построив в 70-х годах восьмицилиндровый (4 рабочих и 4 компрессионных цилиндра) V-образный двигатель Стирлинга со стандартным кривошипно-шатунным механизмом.

Аналогичной силовой установкой в1972 году оснащалась ограниченная серия автомобилей Ford Torino , расход топлива у которой снизился на 25% по сравнению с классической бензиновой V-образной восьмеркой.

В настоящее время более полусотни зарубежных компаний ведут работы по совершенствованию конструкции двигателя Стирлинга в целях его адаптации к массовому выпуску для нужд автомобилестроения. И если удастся устранить недостатки данного типа двигателей, в то же время сохранив его преимущества, то именно Стирлинг, а не турбины и электромоторы, придет на смену бензиновым ДВС.

Двигатели внешнего сгорания

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]

МНОГОТОПЛИВНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ СВЕРХМАЛОЙ МОЩНОСТИ С ТЕПЛОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ, СПОСОБНАЯ ЭФФЕКТИВНО РАБОТАТЬ В УСЛОВИЯХ СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ КАЗАХСТАНА | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)

МНОГОТОПЛИВНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ СВЕРХМАЛОЙ МОЩНОСТИ С ТЕПЛОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ, СПОСОБНАЯ ЭФФЕКТИВНО РАБОТАТЬ В УСЛОВИЯХ СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ КАЗАХСТАНА

Научная статья

Мехтиев А.Д.1, Югай В.В.2, Алькина А.Д.3, Есенжолов У.С.4, *, Калиаскаров Н.Б.5

1 ORCID: 0000-0002-2633-3976;

2 ORCID: 0000-0002-7249-2345;

3 ORCID: 0000-0003-4879-0593;

4 ORCID: 0000-0003-2536-6810;

5 ORCID: 0000-0001-9772-4205;

1, 2, 3, 4, 5 Карагандинский государственный технический университет, Караганда, Казахстан

* Корреспондирующий автор (newneil[at]mail.ru)

Аннотация: Проблема эффективного электроснабжения не решена в полном объеме до сих пор. Одним из путей решения данной проблемы является разработка микро тепловой электростанции, способной функционировать практически на любом топливе. Использование собственного источника энергии позволит снизить затраты на ее производство. Существенно повышаются показатели надежности электроснабжения и обеспечивается ее бесперебойная поставка потребителю. Предложенная нами электростанция приводиться в действия тепловым двигателем с внешним подводом теплоты. Приведены некоторые результаты компьютерного моделирования двигателя с внешним подводом тепла, который работает по принципу Стирлинга. Рассмотрены конструктивные особенности разрабатываемого двигателя.

Ключевые слова: тепловая электростанция, двигатель Стирлинга, когенерация, тепловая энергия, комплексное производство, альтернативная энергетика.

MULTI-FUEL ELECTRIC POWER STATION OF SUPER-SMALL POWER WITH EXTERNAL COMBUSTION THERMAL ENGINE CAPABLE OF EFFECTIVELY WORKING IN AGRICULTURAL KAZAKHSTAN

Research article

Mehtiyev A.D.1, Yugai V.V.2, Alkina A.D.3, Esenzholov U.S.4, *, Kaliaskarov N.B.5

1 ORCID: 0000-0002-2633-3976;

2 ORCID: 0000-0002-7249-2345;

3 ORCID: 0000-0003-4879-0593;

4 ORCID: 0000-0003-2536-6810;

5 ORCID: 0000-0001-9772-4205;

1, 2, 3, 4, 5 Karaganda State Technical University, Karaganda, Kazakhstan

* Corresponding author автор (newneil[at]mail.ru)

Abstract: The problem of efficient power supply has not been fully resolved so far. One of the ways to solve this problem is to develop a micro thermal power plant capable of operating on virtually any fuel. Using its own energy source will reduce the cost of the production. It can also significantly increase the reliability of electricity supply and ensure uninterrupted supply to the consumer. The proposed power plant is driven by a heat engine with an external heat supply. Some results of computer simulation of an engine with an external heat supply, which works according to the Stirling principle, are given. The design features of the engine under development are considered.

Keywords: thermal power plant, Stirling engine, cogeneration, thermal energy, integrated production, alternative energy.

Общая часть и предварительный анализ уровня развития двигателя с внешним подводом теплоты. Двигатель Стирлинга (ДС), предложенный как альтернатива паровой машины в начале девятнадцатого века, претерпел множество этапов развития и трансформации, а также временных циклов развития и угасания, и сейчас вызывает достаточный интерес у изобретателей. Создаются все новые конструкции ДС и используются новые технологии для их создания. Сегодня некоторые модели могут оказать серьезную конкуренцию двигателям внутреннего сгорания (ДВС), например, по техническим и экологическим показателям. Несмотря на все достижения и преимущества они все же не нашли широкого применения как электрические машины или двигатели внутреннего сгорания, но на это есть ряд серьезных причин. Рабочее тело (газ или жидкость), движется в замкнутом объёме в условиях цикла периодического нагрева и охлаждения рабочего тела. Для его работы пригодно практически любое топливо или источник тепла [1, C. 27]. Благодаря чему этот уникальный в своем роде тепловой двигатель имеет высокий коэффициент полезного действия, равный максимальной эффективности тепловых машин, но на самом деле, на практике его достичь чрезвычайно сложно.

С исторической точки зрения, толчком в развитии данного направления послужил тепловой двигатель, предложенный католическим священником Робертом  Стирлингом, и запатентовавший им в 1816 году (английский патент № 4081). Тепловые двигатели, использующие в своей работе нагретый воздух, уже использовались в 17 веке, он лишь усовершенствовал конструкцию и предложил использовать регенератор, который он назвал «эконом». Модернизация позволила уменьшить вес и добиться КПД около 10%.  Этот узел позволил повысить эффективность и создать конкуренцию паровой машине, это дало возможность внедрить их на ряде предприятий, в первую очередь он был безопасным в плане допущения взрыва, что было не редкость для паровых машин того времени. Его машина была изготовлена из чугуна весом в одну тонну и вырабатывала 1 кВт мощности, на то время она могла оказать достойную конкуренцию паровой машине [2, C. 33]. Отсутствие износостойких уплотнений и жаропрочных сталей не позволили Стирлингу добиться успехов в эффективности, а бурное развитие ДВС и электромоторов в начале 20 века полностью вытеснили их с рынка, но с развитием технологий и материалов у инженеров в 50 – 60 годах прошлого века снова появился к ним интерес. Разработки новых конструкций ДС продолжаются по сей день. Например, особенных успехов добилась фирма Philips производившая компактные электрогенераторы на основе двигателя с внешним подводом теплоты работающий по циклу Стирлинга с КПД около 30 %, что пока не достижимо для большинства современных бензиновых электростанций с ДВС [3, C. 78]. Новые машины имели более высокую эффективность за счет повышения давления в рабочей полости (в цилиндрах и камерах), что существенно улучшило показатель «вес/габарит/мощность».

Проведенный нами обзор показал, что более чем за двухсотлетнюю историю развития они прошли несколько этапов трансформации и существенных конструктивных изменений, повысивших их эффективность. Сегодня инженерами различных стран мира созданы десятки конструкций тепловых двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ), работающих по циклу Стирлинга. Будет правильней утверждать, что данные тепловые двигатели объединяет только ряд существенных признаков, связанных с внешним подводом теплоты и тепловым циклом Стирлинга. Сам Стирлинг не является автором всех разработок, напротив, его тепловая машина во многом была несовершенна, о чем он сам писал лично, а современные двигатели с внешним подводом тепла в некоторых конструкциях не имеют ничего общего с предложенным им изобретением. В научной литературе совершенно разные по конструкции ДВПТ приписываются к авторству Стирлинга, о которых не было и речи в его работах.

Существуют основные типы тепловых двигателей Стирлинга: альфа, бета и гамма, но более перспективными в настоящее время для использования в энергетике являются свободнопоршневые и термоакустические машины, так как у них более высокий КПД и лучшие показатели массогабаритных размеров на единицу мощности [4, C.57]. Двигатель Стирлинга применяется в случаях, когда необходим небольшой преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины.

Двигатели Стирлинга могут применяться для преобразования тепловой энергии в механическую, а затем в электрическую. На них возлагают надежды по созданию солнечных электроустановок. Их применяют как автономные генераторы для туристов. Некоторые предприятия выпускают генераторы, которые работают от конфорки газовой печи.

Можно выделить ряд преимуществ использования двигателя с внешним подводом теплоты для многотопливной микроэлектростанции:

  1. многотопливность и способность работать на доступном в данной местности топливе;
  2. значительный моторесурс от 20000 часов;
  3. возможность когенерации тепла и комплексного производства энергии;
  4. от 3 до 6 раз меньшая стоимость выработанного киловатта энергии;
  5. полная автономность и независимость от тарифа и конъюнктуры рынка нефти и природного газа;
  6. высокие экологические показатели Евро – 5 и выше, что соответствует самым жестким мировым экологическим стандартам;
  7. срок окупаемости когенерационных установок 2-4 года;
  8. отсутствие необходимости прокладки и обслуживания электросетей при электрификации отдаленных районов;
  9. значительное сокращение расходов региональных бюджетов на закупку привозного топлива.

В различное время ряд зарубежных фирм очень активно вели работу по исследованию и разработке новых конструкций ДС или двигателя с внешним подводом теплоты, например, ‘Philips” (Нидерланды), “General Motors Co”, “Ford Motor Co”, “NASA Lewis Research Center”, “Los Alamos National Laboratory” (США), “MAN-MBW” (Германия), “Mitsubishi Electric Corp.”, “Toshiba Corp.” (Япония). В течение последнего десятилетия к работам по созданию двигателей Стирлинга приступили также в “Daimler Benz” и “Cummins Power Generation” (СPG) [5]. В различное время проведено множество исследований и практических опытов по вопросу использования двигателя Стирлинга для различных нужд, в том числе для производства электроэнергии [6]. В настоящее время на территории России активно работают несколько крупных компаний занимающиеся разработкой электростанций когенерационного типа, например, ООО “ИИЦ “Стирлинг-технологии”. На рынке имеется продукция произведенная ОАО «Машиностроительный завод «Арсенал», НПО «Гелиймаш» и др. Выпускаемые этими предприятиями ДВПТ, не являются Российскими разработками, а представляют собой копии криогенных машин, ранее выпускаемых голландскими фирмами “N.V. Philips Gloeilampenfabrieken” (“Филипс”) и “Werkspoor”. В России из-за экономического кризиса сложилась крайне неблагоприятная инновационная атмосфера и научные организации, в которых ранее велись работы по созданию новых  конструкций ДВПТ, например, МВТУ им. Баумана, ВНИИГТ, ОмПИ (ТУ), СПбГТУ (Политехнический университет), ЦНИДИ, вынуждены были из-за финансовых трудностей закрыть свои программы. В то же время в странах Евросоюза, США и Японии за последние 15 лет достигнуты положительные результаты в создании высокоэффективных машин Стирлинга, например термоакустического типа с линейными генераторами. Специалистами ООО «Инновационно – исследовательский центр «Стирлинг – технологии» вначале 21 века был проведен ряд экспериментальных исследований, в результате которых была разработана новая методология проектирования и расчета машин данного цикла. Данная методология включает в себя несколько “ноу-хау”, среди которых: уникальный метод двухуровневой многопараметрической оптимизации машин Стирлинга; структурный синтез машин Стирлинга на основе метода функцио­нально-эксергетического анализа сложных тепломеханических устройств и оптимального конструирования. На основании предложенных технических решений, специалистами ООО «Инновационно – исследовательский центр «Стирлинг – технологии», за 1994-2003 году было подано более 150 заявок на предполагаемые изобретения. Особое внимание уделялось проработке отдельных узлов машин Стирлинга и их конструктивного исполнения, а также созданию новых принципиальных схем установок различного функционального назначения. Практика показала, что оптимальное конструирование позволит в значительной степени сокра­тить суммарную удельную стоимость машин при их опытном изготовлении и серийном производстве. Предлагаемые технические решения, с учетом того, что машины Стирлинга менее дороги в эксплуатации, позволяют повысить их экономическую рентабельность по сравнению традиционными преобразователями энергии. Дальнейшее широкое распространение машин Стирлинга будет связано с развитием теории проектирования многоцилиндровых машин данного цикла, что позволит создавать двигатели и холодильные машины производительностью до 1000 кВт.

Некоторые проблемы, связанные с созданием высокоэффективных машин Стирлинга. Проанализированный нами зарубежный опыт по созданию высокоэффективных ДВПТ или двигателей Стирлинга показал, что без точного математического моделирования рабочих процессов и оптимального конструирования основных узлов, доводка проектируемых машин превращается в многолетние изнурительные экспериментальные исследования с малой вероятностью успешного результата. Ведущие разработки фирм стран Евросоюза, США и Японии, опираются на теоретические и экспериментальные исследования своих ученых из университетов и технопарки которые занимаются разработкой отдельных типов машин Стирлинга. Имеются не в полном объеме решенные технические проблемы, связанные конструкцией отдельных узлов, особенно уплотнений, регулирования мощности и т.д. Имеются проблемы обусловленные применением различных рабочих тел, например, низкая эффективность воздуха при нагреве и предотвращение утечек водорода, который является наиболее эффективным рабочим телом. Есть конструкции использующие в качестве рабочего тела гелий, он намного эффективнее воздуха, но обладает сверхтекучестью, что предъявляет повышенные требования к уплотняющим элементам рабочий поршней, штока вытеснителя и т.д., а это влияет на стоимость изготовления ДВПТ. В отличие от ДВС уплотнения работают в режиме сухого трения, так как смазка может сильно загрязнять рабочее тело и негативно влиять на работу ДВПТ, поэтому и уплотнения должны иметь низкий коэффициент трения и высокую износостойкость. Продолжается работа по проектированию перспективных и новых конструкций ДВПТ, которые внедряются в производство, например, свободно поршневых, не имеющих недостатков классических ДВПТ. Для достижения высокого КПД необходим высокий уровень технологии производства и качества материалов, а это повышает их стоимость, делая не доступными для массового повсеместного использования. К примеру, компания WhisperGen (Новая Зеландия) разработала для Европейского рынка микротепловую электростанцию когенерационного типа c тепловым двигателем внешнего сгорания (двигателем Стирлинга), стоимостью около 8 тыс. евро, но если учесть ее доставку в Казахстан, то цена вырасти минимум на 50%. Данная установка способна комплексно вырабатывать электрическую мощность — 1 кВт и тепловую — 5,5 кВт, что может хватить для небольшого сельского дома. Естественно сельскому жителю данная техника не доступна из-за высокой стоимости и отсутствия природного газа для ее работы, это делает ее невостребованной на селе. Высокая стоимость формируется из-за необходимости применения жаростойких сплавов и цветных металлов, их сварки и пайки. Немалые средства вкладываются в изготовления регенератора и насадки для него, так как необходимо с одной стороны высокая теплоемкость, а другой стороны, низкого гидравлического сопротивления. Производство требует высокотехнологичного оборудования и высокой квалификации рабочего персонала, а это тоже существенно повышает стоимость. Высокая наукоемкость и технологичность производства, а также использование дорогостоящих материалов является основным сдерживающим фактором широкого распространения современных ДВПТ. Для создания конкурентоспособных на мировом рынке ДВПТ можно добиться только в результате синтеза передовых научных исследований и высокопрофессиональной конструктивной проработки основных узлов, а также передовой технологии производства.

Разработка многотопливной электростанции сверхмалой мощности с тепловым двигателем внешнего сгорания.

Целью нашей научной работы является разработка двигателя с внешним подводом теплоты для многотопливной микроэлектростанции способной эффективно в условиях сельской местности Казахстана.

Своей будущей задачей мы ставим разработку серии микроэлектростанций мощностью от 1 до 100 кВт на основе свободнопоршневого двигателя внешнего сгорания и линейным генератором для энергообеспечения сельских жителей Казахстана. Наша работа выполнена в рамках проекта «Микротепловая электростанция когерационного типа с рекуперацией тепла» (№ АР05131751).

Данный тип теплового двигателя был изобретен в 50 – е годы прошлого века в США фирмой «Санпауэр». Конструкция получилась настолько удачная из всего семейства Стирлингов, что инженеры НАСА разработали несколько вариантов для использования их на космических кораблях. Немецкие инженеры сделали ряд разработок для использования их в быту, он может работать как генератор, насос и термокомпрессор [7, C. 85].

Ранее были сформулированы ряд рекомендаций по использованию двигателя Стирлинга для энергообеспечения сельских потребителей , а также приводили основные результаты исследований. Компактная когенерационная энергетическая установка способна производить электрическую и тепловую энергию, при соотношении 1/5 кВт, с КПД 10-20% и 40-50%, соответственно по видам энергии. В перспективе проведение работы по совершенствованию конструкции и оптимизации параметров для достижения комплексного КПД около 90%. Данная установка будет производить тепловую энергию примерно в 5 раз больше, чем электрическую, так как тепловая энергия охлаждающей воды и отработанных газов используется для нужд теплоснабжения потребителей. Эффективность применения двигателя Стирлинга в когенерационных установках, по сравнению с ДВС, обусловлена особенностью его теплового баланса. На рисунке 1 показана компоновка многотопливной микроэлектростанции мощностью в 1 кВт с двигателем с внешним подводом теплоты, в трех возможных вариантах, основанных на использовании энергосберегающего эффекта «Тандыра». Данная установка производит 1 кВт/ч электрической энергии и 5-6 кВт/ч тепловой, что в полнее достаточно для небольшого сельского дома. Контур охлаждения работает в летнее время, а в холодное время года его заменяет система отопления жилого дома. Установка работает на аккумулирование электрической и тепловой энергии. Накопители позволяют добиться стабильности в ее работе и обеспечить пики максимальной нагрузки, а также сбалансировать объемы произведенной и потребляемой энергии при минимальных потерях. Установка монтируется в печь или «Тандыр», которую предварительно разжигают, возможна также работа установки в длительном режиме с поддержанием процесса горения топлива.

Установка состоит из: свободнопоршневого двигателя внешнего сгорания 1; линейного генератора переменного тока на постоянных магнитах 2 и кабельной линии 3 с напряжением 220 В. Кабель подключается к преобразователю AC220/DC24В, для зарядки аккумулятора емкостью примерно 200 А/ч; система охлаждения (отопления) 4, чем эффективнее она работает тем выше КПД всей установки; нагреватель рабочего тела 5 из нержавеющей жаропрочной стали; система подвода воздуха 6; основание земли 7; кирпичная кладки из шамотного кирпича 8; трубопровод для системы охлаждения 9; колосниковая решетка 10; бетонное основание печи 11; теплоизоляция 12; обшивка 13; люк для чистки 14; дымоход для удаления продуктов горения 15.

Установка работает следующим образом, под действием высокой температуры от 300 до 7000 С силовая установка на основе свободнопоршневого двигателя внешнего сгорания 1 приводит в движение линейного генератора переменного тока на постоянных магнитах 2, выработанный ток по кабельной линии 3 с напряжением 220 В поступает на преобразователь переменного тока в постоянный AC220/DC24В который имеет контроллер заряда и осуществляет зарядку аккумуляторов минимальной емкостью 200 А/ч, желательно увеличить емкость аккумуляторов в 2-3 раза, для исключения дефицита электроэнергии и избежание аварийного отключения автономной системы при разрядке аккумулятора. Если в доме есть несколько мощных приемников, то необходимо отдельно рассчитать необходимое для их работы емкость. Постоянный ток может напрямую доставляться потребителям, например светодиодным электрическим лампам и частично инвертироваться для приводов холодильника и стиральной машины. Важным моментом эффективной работы установки является система охлаждения (отопления) 4, чем эффективнее она работает, тем выше КПД всей установки, поэтому желательно лучше охлаждать рабочее тело, чем повышать температуру нагревателя. Система охлаждения подключается через трубопроводы 9 и разделяется на прямой и обратный, в качестве охлаждающей жидкости может быть использован автомобильный антифриз. Для циркуляции охлаждающей жидкости используется электрический насос(помпа), а подключение системы отопления дома осуществляется через теплообменный аппарат. Для хранения излишек тепловой энергии необходим бак с тепловой изоляцией емкостью 200 – 500 литров.

Рис. 1 – Возможные варианты компоновки многотопливной электростанции мощностью в 1 кВт с двигателем с внешним подводом теплоты

 

Нагреватель рабочего тела 5 непосредственно воспринимает высокую температуру и должен быть выполнен из жаропрочной стали, для повышения эффективности он снабжен дополнительными трубчатыми нагревателями и внутренним регенератором. Для обеспечения процесса горения топлива печь или «Тандыр» должны быть оснащены системой подачи воздуха 6. Важным моментом является конструкция самой печи, главное ее казачество должно быть энергосбережение и сохранение тепла, поэтому теплоизоляции уделяется особое внимание.

Электрическая схема установки показана на рисунке 2, основная идея заключается в разделении нагрузки на переменную и постоянную. Это позволит избежать излишних преобразований и потерь, так как большинство современного бытового электрооборудования работает на постоянном токе, например, ноутбук или сотовый телефон. Светодиодные электрические лампы тоже могут работать на постоянном токе без драйвера. Переменный ток необходим только холодильнику, стиральной машине, микроволновой печи, поэтому для них предусматривается инвертор. Система выработки электрической энергии состоит из линейного синхронного генератора переменного тока 1, выполненного на постоянных магнитах, полупроводникового выпрямителя переменного тока 2, контроллера заряда аккумулятора с реле 3 и 5, аккумуляторной батареи 4, распределительного устройства 6 для разделения нагрузки на переменный ток с питанием от инвертора и на постоянный ток для питания нагрузки постоянного тока напрямую от аккумуляторной батареи.

Рис. 2 – Электрическая схема генерации

 

Для проведения исследований нами был разработан экспериментальный двигатель с внешним подводом теплоты, представленный на рисунке 3, мощность электрического генератора на постоянных магнитах составляет 100 Вт.

В качестве рабочего тела используется гелий с добавлением небольшого в процентном отношении воды, что позволяет создавать давление до 12 МПа.

Нами проведено компьютерное моделирование свободнопоршневого двигателя, полученные результаты помогут создать оптимальную конструкцию с максимально возможным КПД. Установлен ряд зависимостей влияющих на мощность связанных с температурой нагревателя и охладителя, диаметром и ходом поршней, фазой и другими параметрами.

Рис. 3 – Экспериментальная лабораторная установка мощностью 100 Вт

 

Отдельно проведены эксперименты, позволяющие построить диаграмму замкнутого теплового цикла Карно и рассмотреть зависимость давления и объема при различных положениях поршней. Результаты приведены на рисунке 4.

Риc. 4 – Зависимости основных параметров свободнопоршневого двигателя при его работе

 

Проведенные исследования позволяют найти оптимальные параметры конструктивных частей теплового двигателя. Точно установить геометрические размеры поршня и вытеснителя, а также величину их хода с оптимальным значением фазового сдвига.

Вывод. Использование двигателя с внешним подводом теплоты для многотопливной микроэлектростанции способной эффективно работать в условиях сельской местности Казахстана является весьма перспективным и требует всестороннего научнного исследования. Считаем, что наиболее перспективной конструкцией привода силового агрегата является свободнопоршневой двигатель с внешним подводом теплоты.

Конфликт интересов

Не указан.

Conflict of Interest

None declared.

Список литературы / References

  1. Бобылев А. В. Математическая модель свободнопоршневого двигателя Стирлинга / Бобылев А. В., Зенкин В. А. // Техника. Технологии. Инженерия. – 2017. – №1. – С. 22-27.
  2. Веревкин М. Г. Метод комплексного теплового и конструкторского расчета термомеханического генератора // Известия ВУЗов. Серия «Машиностроение». – 2004. – № 10. – С.33–37.
  3. Афанасьев В.А. Оценка КПД криогенного двигателя Стирлинга, входящего в состав газификатора сжиженного природного газа системы питания газовым потоком судового двигателя / Афанасьев В.А., Цейтлин А.М., Поляков П.Б. и др. // Вестник АГТУ. Серия «Морская техника и технология». – 2013. – №1. – С.78–83.
  4. Горожанкин С.А. Комбинированные газотурбинные установки с двигателями Стирлинга / Горожанкин С.А., Савенков Н.В., Чухаркин А.В. // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского политехнического университета – 2015. – №2(219). – С.57-66.
  5. Свидетельство о государственной регистрации прав на объект авторского права Республики Казахстан. Мини ТЭЦ с линейным генератором тока с рекуператором для утилизации отходов подверженных горению. / Мехтиев А.Д., Югай В.В. Алькина А.Д. и др. // № 0956; опубл.23.05.2016.
  6. Свидетельство о государственной регистрации прав на объект авторского права Республики Казахстан. Альтернативная теплоэнергетическая установка когенерационного типа мини-ТЭЦ. / Булатбаев Ф.Н. Югай В.В., Алькина А.Д., Нешина Е.Г. // №2385; опубл.15.11.2016.
  7. Жаукешов А. М. К выбору компонентов солнечной электростанции с двигателем Стирлинга // Вестник КазНУ. Серия «Физическая». – 2014. – №4(51). – С.85-89.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Bobylev A. V. Matematicheskaya model svobodnoporshnevogo dvigatelya Stirlinga [The mathematical model of Stirling’s free-piston engine] / Bobylev A. V., Zenkin V. A. // Tekhnologii. Inzheneriya [Bulletin of Equipment. Technologies. Engineering. Ser. Power engineering] – 2017 – no.1 – P.22-27. [in Russian]
  2. Verevkin M. G. Metod kompleksnogo teplovogo i konstruktorskogo rascheta termomekhanicheskogo generatora [Method of complex thermal and design calculation of a thermomechanical generator]/ Verevkin M. G. // Izvestiya VUZov. Seriya «Mashinostroyeniye» [Bulletin of Proceedings of higher educational institutions. Ser. Mechanical engineering] – 2004 –10 – P.33-37. [in Russian]
  3. Afanas’ev V. A. Otsenka KPD kriogennogo dvigatelya Stirlinga. vkhodyashchego v sostav gazifikatora szhizhennogo prirodnogo gaza sistemy pitaniya gazovym potokom sudovogo dvigatelya [Estimation of the efficiency of the cryogenic Stirling engine, which is part of the gasifier of liquefied natural gas, the gas-powered system of the marine engine]/ Afanas’ev V.A. // Vestnik AGTU. Seriya «Morskaya tekhnika i tekhnologiya» [Bulletin of vestnik of astrakhan state technical university. Ser. marine engineering and technologies] – 2013 –1 – P.78-83. [in Russian]
  4. Gorozhankin S.A. Kombinirovannyye gazoturbinnyye ustanovki s dvigatelyami Stirlinga [Combined gas turbine units with Stirling engines]/ Gorozhankin S. A.// Nauchno-tekhnicheskiye vedomosti Sankt-Peterburgskogo politekhnicheskogo universiteta [Bulletin of The founder and publisher of the journal is the St. Petersburg State Polytechnical University] – 2015 – 2(219) – P.57-66. [in Russian]
  5. Mekhtiev A.D.Mini TETs s lineynym generatorom toka s rekuperatorom dlya utilizatsii otkhodov podverzhennykh goreniyu. [Mini CHP with a linear current generator with a recuperator for recycling waste combustible] / Mekhtiev A.D., Yugay V.V. Al’kina A.D. and others, Certificate of state registration of rights to the object of copyright of the Republic of Kazakhstan – 0956 – 23.05.2016. [in Russian]
  6. Bulatbaev F.N. Al’ternativnaya teploenergeticheskaya ustanovka kogeneratsionnogo tipa mini-TETs. [Alternative heat-power plant cogeneration type mini-CHP.] / Bulatbaev F.N., Yugay V.V., Al’kina A.D., amd others // Certificate of state registration of rights to the object of copyright of the Republic of Kazakhstan – 2385 – 15.11.2016. [in Russian]
  7. Zhaukeshov A. M. K vyboru komponentov solnechnoy elektrostantsii s dvigatelem Stirlinga [To the selection of components of a solar power station with a Stirling engine] / Zhaukeshov A.M. // Vestnik KazNU. Seriya «Fizicheskaya» [Bulletin of herald of the Kazakh National University. Ser. Physical] – 2014 –4(51) – P.85-89. [in Russian]

Двигатель внешнего сгорания достоинства и недостатки. Энергосберегающие технологии: Двигатели внешнего сгорания

Современное автомобилестроение вышло на такой уровень развития, при котором без фундаментальных научных исследований практически невозможно достигнуть кардинальных улучшений в конструкции традиционных моторов внутреннего сгорания. Такая ситуация вынуждает конструкторов обратить внимание на альтернативные проекты силовых установок . Одни инженерные центры сосредоточили свои силы на создании и адаптации к серийному выпуску гибридных и электрических моделей, другие автоконцерны вкладывают средства в разработку двигателей на топливе из возобновляемых источников (например, биодизель на рапсовом масле). Существуют и другие проекты силовых агрегатов, которые в перспективе могут стать новым стандартным движителем для транспортных средств.

Среди возможных источников механической энергии для автомобилей будущего следует назвать двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине XIX века шотландцем Робертом Стирлингом в качестве тепловой расширительной машины.

Схема работы

Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу за счет изменения температуры рабочего тела (газа или жидкости), циркулирующего в замкнутом объеме.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга.

Стирлинг модификации «Альфа»

Двигатель состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Стирлинг модификации «Бета»

Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположного конца. В цилиндре двигается силовой поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема рабочего газа. Обратное перемещение остывшего рабочего вещества в горячую полость двигателя выполняет регенератор.

Стирлинг модификации «Гамма»

Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый — полностью холодный, в котором движется силовой поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, служит для перемещения вытеснителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или входить в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность : двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.

Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло — силовой агрегат продолжал устойчиво работать.

Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга бесшумен , так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.

В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.

Недостатки конструкции Стирлинга

При всем наборе положительных свойств немедленное массовое применение двигателей Стирлинга невозможно по следующим причинам:

Основная проблема заключается в материалоемкости конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки.

Нынешний технологический уровень позволит двигателю Стирлинга сравниться по характеристикам с современными бензиновыми моторами только за счет применения сложных видов рабочего тела (гелий или водород), находящихся под давлением более ста атмосфер. Этот факт вызывает серьезные вопросы как в области материаловедения, так и обеспечения безопасности пользователей.

Немаловажная эксплуатационная проблема связана с вопросами теплопроводности и температурной стойкости металлов. Тепло подводится к рабочему объему через теплообменники, что приводит к неизбежным потерям. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из термостойких металлов, устойчивых к высокому давлению. Подходящие материалы очень дороги и сложны в обработке.

Принципы изменения режимов двигателя Стирлинга также кардинально отличаются от традиционных, что требует разработки специальных управляющих устройств. Так, для изменения мощности необходимо изменить давление в цилиндрах, угол фаз между вытеснителем и силовым поршнем или повлиять на емкость полости с рабочим телом.

Один из способов управления скоростью вращения вала на модели двигателя Стирлинга можно увидеть на следующем видео:

Коэффициент полезного действия

В теоретических расчетах эффективность двигателя Стирлинга зависит от разницы температур рабочего тела и может достигать 70% и более в соответствии с циклом Карно.

Однако первые реализованные в металле образцы обладали крайне невысоким КПД по следующим причинам:

  • неэффективные варианты теплоносителя (рабочего тела), ограничивающие максимальную температуру нагрева;
  • потери энергии на трение деталей и теплопроводность корпуса двигателя;
  • отсутствие конструкционных материалов, устойчивых к высокому давлению.

Инженерные решения постоянно совершенствовали устройство силового агрегата. Так, во второй половине XX века четырехцилиндровый автомобильный двигатель Стирлинга с ромбическим приводом показал на испытаниях КПД равный 35% на водном теплоносителе с температурой 55 °C.Тщательная проработка конструкции, применение новых материалов и доводка рабочих узлов обеспечили КПД экспериментальных образцов в 39%.

Примечание! Современные бензиновые двигатели аналогичной мощности обладают коэффициентом полезного действия на уровне 28-30%, а турбированные дизели в пределах 32-35%.

Современные образцы двигателя Стирлинга, такие как созданный американской компанией Mechanical Technology Inc, демонстрируют эффективность до 43,5%. А с освоением выпуска жаропрочной керамики и аналогичных инновационных материалов появится возможность значительного повышения температуры рабочей среды и достижения КПД в 60%.

Примеры успешной реализации автомобильных Стирлингов

Несмотря на все сложности, известно немало работоспособных моделей двигателя Стирлинга, применимых для автомобилестроения.

Заинтересованность в Стирлинге, подходящем для установки в автомобиль, появилась в 50-е годы XX века. Работу в данном направлении вели такие концерны, как Ford Motor Company, Volkswagen Group и другие.

Компания UNITED STIRLING (Швеция) разработала Стирлинг, в котором максимально использовались серийные узлы и агрегаты, выпускаемые автопроизводителями (коленчатый вал, шатуны). Получившийся в результате четырехцилиндровый V-образный мотор обладал удельной массой 2,4 кг/кВт, что сравнимо с характеристиками компактного дизеля. Данный агрегат был успешно опробован в качестве силовой установки семитонного грузового фургона.

Одним из успешных образцов является четырехцилиндровый двигатель Стирлинга нидерландского производства модели «Philips 4-125DA», предназначавшийся для установки на легковой автомобиль. Мотор имел рабочую мощность 173 л. с. в размерах, аналогичных классическому бензиновому агрегату.

Значительных результатов добились инженеры компании General Motors, построив в 70-х годах восьмицилиндровый (4 рабочих и 4 компрессионных цилиндра) V-образный двигатель Стирлинга со стандартным кривошипно-шатунным механизмом.

Аналогичной силовой установкой в1972 году оснащалась ограниченная серия автомобилей Ford Torino , расход топлива у которой снизился на 25% по сравнению с классической бензиновой V-образной восьмеркой.

В настоящее время более полусотни зарубежных компаний ведут работы по совершенствованию конструкции двигателя Стирлинга в целях его адаптации к массовому выпуску для нужд автомобилестроения. И если удастся устранить недостатки данного типа двигателей, в то же время сохранив его преимущества, то именно Стирлинг, а не турбины и электромоторы, придет на смену бензиновым ДВС.

Вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.

С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.

Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.

Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):

История двигателя Стирлинга

Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

P*V=n*R*T
  • P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
  • V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
  • n – молярное количество газа в двигателе;
  • R – постоянная газа;
  • T – степень нагрева газа в двигателе К,

Модель двигателя Стирлинга:


За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

Цикл

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.

Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):

Идеальные круговые явления:

  • 1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;
  • 2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
  • 3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
  • 4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.

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

Из расчёта (моль) вещества:

Подводимое тепло:

Получаемое охладителем тепло:

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

R – Универсальная постоянная газа;

СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.

За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

КПД кругового явления:

ɳ =

Примечательно, что без теплообменника совокупность процессов Стирлинга осуществима, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение совокупности процессов задом наперёд ведёт к описанию охлаждающего механизма. В этом случае наличие регенератора, обязательное условие, поскольку при прохождении (3-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Так же невозможно отдать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

Принцип работы двигателя

Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.


Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.

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

Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещаясь, пропускает вещество через торцевые щели ко дну, сам охлаждается. Поршень стоит неподвижно.

Вещество получает тепло, под действием тепла увеличивается в объёме и поднимает расширитель с поршнем вверх. Совершается работа, после чего вытеснитель опускается на дно, выталкивая вещество и охлаждаясь.

Поршень опускается вниз, сжимает охлаждённое вещество, выполняется полезная работа. Маховик служит в конструкции аккумулятором энергии.

Рассмотренная модель без регенератора, поэтому КПД механизма не велико. Тепло вещества после совершения работы отводится в охлаждающую жидкость, используя стенки. Температура не успевает снижаться на нужную величину, поэтому время охлаждения продлевается, скорость мотора маленькая.

Виды двигателей

Конструктивно, есть несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, основными видами считаются:


Конструкция применяет два разных поршня, помещенных в различные контуры. Первый контур используется для нагрева, второй контур применяется для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство обладает хорошим соотношением мощности к объёму. Недостаток в том, что температура горячего регенератора создает конструктивные сложности.

  • Двигатель «β – Стирлинг»:


Конструкция использует один замкнутый контур, с разными температурами на концах (холодный, горячий). В полости расположен поршень с вытеснителем. Вытеснитель делит пространство на холодную и горячую зону. Обмен холодом и теплом происходит путём перекачивания вещества через теплообменник. Конструктивно, теплообменник выполняется в двух вариантах: внешний, совмещённый с вытеснителем.

  • Двигатель «γ – Стирлинг»:


Поршневой механизм предусматривает применение двух замкнутых контуров: холодного и с вытеснителем. Мощность снимается с холодного поршня. Поршень с вытеснителем с одной стороны горячий, с другой стороны холодный. Теплообменник располагается как внутри, так и снаружи конструкции.

Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:

  • Роторный двигатель Стирлинга.


Конструктивно изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Заложен синергетический подход реализации цикла. Корпус содержит радиальные прорези. В углубления вставлены лопасти с определённым профилем. Пластины надеты на ротор и могут двигаться вдоль оси при вращении механизма. Все детали создают меняющиеся объёмы с выполняющимися в них явлениями. Объёмы различных роторов связаны при помощи каналов. Расположение каналов имеют сдвиг в 90° друг к другу. Сдвиг роторов относительно друг друга составляет 180°.

  • Термоакустический двигатель Стирлинга.


Двигатель использует акустический резонанс для проведения процессов. Принцип основан на перемещении вещества между горячей и холодной полостью. Схема уменьшает количество движущихся деталей, сложность в снятии полученной мощности и поддержании резонанса. Конструкция относится к свободнопоршневому виду мотора.

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:


  • Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
  • Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
  • Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
  • Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
  • В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
  • Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
  • Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
  • Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;


  • Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
  • Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
  • Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.


Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.

Преимущества

Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

  • Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
  • Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
  • Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
  • Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
  • Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
  • Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
  • Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

Недостатки

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

  • Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
  • Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
  • Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
  • Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
  • Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

Использование

Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно применяется там, где габариты и всеядность важный критерий:

  • Двигатель Стирлинг-электрогенератор.

Механизм преобразования тепла в электрическую энергию. Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установки по использованию солнечной энергии.

  • Двигатель, как насос (электрика).

Двигатель применяют для установки в контур отопительных систем, экономя на электрической энергии.

  • Двигатель, как насос (обогреватель).

В странах с тёплым климатом двигатель используют как обогреватель для помещений.

Двигатель Стирлинга на подводной лодке:


  • Двигатель, как насос (охладитель).

Практически все холодильники в своей конструкции применяют тепловые насосы, устанавливая двигатель Стирлинга, экономятся ресурсы.

  • Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.

Устройство применяют в качестве холодильника. Для этого процесс запускают в обратную сторону. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.

  • Двигатель для подводной техники.

Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.

Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:


  • Двигатель, как аккумулятор энергии.

Топливо в таких агрегатах, расплавы соли, двигатель применяют, как источник энергии. Мотор по запасу энергии опережает химические элементы.

  • Солнечный двигатель.

Преобразуют энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае, водород или гелий. Двигатель ставится в фокусе максимальной концентрации энергии солнца, созданного при помощи параболической антенны.

Экология потребления.Наука и техника:Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой и эффективностью.

Менее ста лет назад двигатели внутреннего сгорания пытались завоевать свое законное место в конкурентной борьбе среди прочих имеющихся машин и движущихся механизмов. При этом в те времена превосходство бензинового двигателя не являлось столь очевидным. Существующие машины на паровых двигателях отличались бесшумностью, великолепными для того времени характеристиками мощности, простотой обслуживания, возможностью использования различного вида топлива. В дальнейшей борьбе за рынок двигатели внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, надежности и простоте взяли верх.

Дальнейшая гонка за совершенствования агрегатов и движущих механизмов, в которую в середине 20 века вступили газовые турбины и роторные разновидности двигателей, привела к тому, что несмотря на верховенство бензинового двигателя были предприняты попытки ввести на «игровое поле» совершенно новый вид двигателей — тепловой, впервые изобретенный в далеком 1861 году шотландским священником по имени Роберт Стирлинг. Двигатель получил название своего создателя.

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА: ФИЗИЧЕСКАЯ СТОРОНА ВОПРОСА

Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.

При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.

Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.

Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.

Все двигатели Стирлинга работают по принципу цикла Стирлинга, включающего в себя четыре основные фазы и две промежуточные. Основными являются нагрев, расширение, охлаждение и сжатие. В качестве стадии перехода рассматриваются переход к генератору холода и переход к нагревательному элементу. Полезная работа, совершаемая двигателем, строится исключительно на разнице температур нагревающей и охлаждающей частей.

СОВРЕМЕННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ СТИРЛИНГА

Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:

  • альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
  • бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
  • гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель.

Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.

Настольная электростанция Стирлинга, купить которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:

  • большие размеры, которые вызваны потребностью к постоянному охлаждению работающего поршня;
  • использование высокого давления, что требуется для улучшения характеристик и мощности двигателя;
  • потеря тепла, которая происходит за счет того, что выделяемое тепло передается не на само рабочее тело, а через систему теплообменников, чей нагрев приводит к потере КПД;
  • резкое снижение мощности требует применения особых принципов, отличающихся от традиционных для бензиновых двигателей.

Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:

  • любой вид топлива, поскольку как любые двигатели, использующие энергию тепла, данный двигатель способен функционировать при разнице температур любой среды;
  • экономичность. Данные аппараты могут стать прекрасной заменой паровым агрегатам в случаях необходимости переработки энергии солнца, выдавая КПДна 30% выше;
  • экологическая безопасность. Поскольку настольная электростанция кВт не создает выхлопного момента, то она не производит шума и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. В виде источника получения мощности выступает обычное тепло, а топливо выгорает практически полностью;
  • конструктивная простота. Для своей работы Стирлинг не потребует дополнительных деталей или приспособлений. Он способен самостоятельно запускаться без использования стартера;
  • повышенный ресурс работоспособности. Благодаря своей простоте, двигатель может обеспечить не одну сотню часов беспрерывной эксплуатации.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА

Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию.


Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стирлинга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелии или водород. опубликовано

Всего около ста лет назад двигателям внутреннего сгорания пришлось в жестокой конкурентной борьбе завоевывать то место, которое они занимают в современном автомобилестроении. Тогда их превосходство отнюдь не представлялось столь очевидным, как в наши дни. Действительно, паровая машина — главный соперник бензинового мотора — обладала по сравнению с ним огромными достоинствами: бесшумностью, простотой регулирования мощности, прекрасными тяговыми характеристиками и поразительной «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 примириться с их недостатками, как с неизбежностью.
В 1950-х годах с появлением газовых турбин и роторных двигателей начался штурм монопольного положения, занимаемого двигателями внутреннего сгорания в автомобилестроении, штурм, до сих пор не увенчавшийся успехом. Примерно в те же годы делались попытки вывести на сцену новый двигатель, в котором поразительно сочетается экономичность и надежность бензинового мотора 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 процесса

Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем требуется на сжатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, а когда воздух в ней охладится, горлышко затыкают пробкой и быстро переносят в горячую воду. Через несколько секунд раздается хлопок и нагреваемый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова возвратить в ледяную воду — цикл повторится.
в цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга почти в точности воспроизводился этот процесс, пока изобретатель не сообразил, что часть тепла, отнимаемого у газа при охлаждении, можно использовать для частичного подогрева. Нужна лишь какая-то емкость, в которой можно было бы запасать тепло, отнятое у газа при охлаждении, и снова отдавать ему при нагревании.
Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые здесь результаты были весьма посредственны: 5-7 процентов к.п.д., 2 л. с. мощности, 4 тонны веса и 21 кубометр занимаемого пространства.
Двигатели внешнего сгорания не были спасены даже успехом другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предложил нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. 8 1887 году несколько тысяч небольших эриксоновских двигателей отлично работало в типографиях, в домах, на шахтах, на судах. Они наполняли водонапорные баки, приводили а действие лифты. Эриксон пытался даже приспособить их для привода экипажей, но они оказались чересчур тяжелыми. В России до революции большое количество таких двигателей выпускалось под названием «Тепло и сила».

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.

Цикл работы двигателя 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. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Поскольку теоретические объяснения удел ученых мужей, слушать их временами утомительно, поэтому перейдем к наглядной демонстрации работы двигателя Стерлинга.

Как работает двигатель Стирлинга
1.Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх.
2.Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
3.Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.
4.Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

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

Еще одним изобретением Стирлинга, увеличившим КПД двигателя стал регенератор, который представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой для улучшения теплоотдачи проходящего газа (на рисунке регенератор заменен ребрами радиатора охлаждения).

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %.

Достоинства двигателя Стирлинга:

1. Всеядность. Можно использовать любое топливо, главное создать разницу температур.
2. Низкая шумность. Поскольку работа построена на перепаде давления рабочей жидкости, а не на поджоге смеси, то шумность по сравнению с двигателем внутреннего сгорания существенно ниже.
3. Простота конструкции, отсюда высокий запас прочности.

Однако все эти достоинства в большинстве случаев перечеркиваются двумя большими недостатками:

1. Большие габариты. Рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массы и размеров за счёт увеличенных радиаторов.
2. Низкий КПД. Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников, соответственно потери КПД велики.

С развитием двигателя внутреннего сгорания двигатель Стирлинга ушел…нет не в прошлое, а в тень. Он с успехом эксплуатируется в качестве вспомогательных силовых установок на подводных лодках, в тепловых насосах на теплоэлектростанциях, в качестве преобразователей солнечной и геотермальной энергии в электрическую, с ним связаны космические проекты по созданию силовых установок работающих на радиоизотопном топливе (радиоактивный распад происходит с выделением температуры, кто не знал).Кто знает, возможно однажды двигатель Стирлинга ждет большое будущее!

Внешний тепловой двигатель — Energy Education

Внешний тепловой двигатель (EHE) относится к любому двигателю, который получает тепло от источника, отличного от жидкости, которая заставляет двигатель работать. Наиболее распространенный тип EHE — двигатель внешнего сгорания, который используется во многих конструкциях силовых установок.

Внешние тепловые двигатели, как правило, представляют собой паровые двигатели, и они отличаются от двигателей внутреннего сгорания тем, что источник тепла отделен от рабочей жидкости. [1] Например, двигатель внешнего сгорания будет использовать пламя для нагрева воды до пара, а затем использовать пар для вращения турбины.Это отличается от внутреннего сгорания, как в двигателе автомобиля, где бензин воспламеняется внутри поршня, работает, а затем выбрасывается.

Все двигатели внешнего сгорания являются внешними тепловыми двигателями. Есть ЭПЭ, такие как солнечные тепловые электростанции, атомные электростанции и геотермальные электростанции, которые не являются двигателями внешнего сгорания. Несмотря на это, внешние тепловые двигатели, такие как ядерные реакторы, иногда называют двигателями внешнего сгорания. [3]

Двигатель внешнего сгорания

Двигатели внешнего сгорания являются наиболее распространенной формой внешних тепловых двигателей из-за их использования на электростанциях.Двигатель внешнего сгорания отличается от других EHE, потому что он требует, чтобы топливо подвергалось сгоранию для создания тепла, которое используется для работы.

Двигатели внешнего сгорания больше не используются на транспорте, поскольку мобильные конструкции недостаточно эффективны, но они продолжают использоваться на электростанциях. [4] Например, электростанция, работающая на природном газе, превращает воду в пар, чтобы вращать турбину, создавая электричество. Конструкция внешнего сгорания означает, что природный газ не вступает в прямой контакт с водой, и двигатель по-прежнему использует огромное количество выделяемой энергии для выполнения полезной работы.Электростанция, работающая на угле, работает примерно так же, когда уголь забирается на станцию ​​из шахты и сжигается в котле. Трубы направляют воду в котел, а горящий уголь кипятит воду, создавая пар, который вращает турбину и вырабатывает электричество.

Примеры

Список литературы

Двигатель внешнего сгорания

Эта технология позволяет мгновенно управлять крутящим моментом двигателей Стирлинга.

Эта технология позволяет двухцилиндрическому двигателю внешнего сгорания мгновенно регулировать крутящий момент, передаваемый на приводной вал, благодаря действию на движущиеся части, которые вызывают изменение фазовой характеристики двигателя, а также возвратно-поступательное, угловое положение горячих и подвижных элементов. холодный цилиндр.

Основное нововведение двигателя основано на возможности простого изменения мощности на валу, поэтому двигатель можно использовать не только как систему выработки энергии, но и как механический гребной винт для морской или автомобильной тяги.
Двигатели, доступные в настоящее время на международном рынке, основаны на конструкции и материалах из устаревших материалов и поэтому экономически непривлекательны. Существенным преимуществом решения, предложенного Innovative Technological Systems, является существенное снижение выбросов загрязняющих веществ по сравнению с обычными двигателями.

Эти характеристики, гарантированные нововведением, создают некоторую точку прямого действия для применения двигателя внешнего сгорания в различных технологических областях:

Использование двигателя внешнего сгорания, в частности типа Стирлинга, для применения в трансмиссии: функциональные возможности двигателя, которые представлены в патенте разрешает использование двигателя в стандартной трансмиссии. Это революционная технология, которая позволит изменить технологический статус-кво на рынке систем трансмиссии.

Двигатель может работать на разных видах топлива: камера сгорания не связана строго с движущимися частями двигателя. Эта особенность позволяет модифицировать камеру сгорания и, в частности, горелку в соответствии с выбранным типом топлива. Эта функция позволяет использовать несколько видов топлива даже одновременно в режиме совместного сжигания.

Низкие выбросы, нулевой баланс CO2: горелки более эффективны, чем двигатель внутреннего сгорания, с точки зрения выбросов CO2.Если топливом для двигателя внешнего сгорания является топливо из биомассы, баланс CO2 равен нулю. Это важное преимущество для создания более экологичных двигателей.

Конкурентоспособность двигателей внутреннего сгорания: эффективность двигателей внешнего сгорания конкурирует с эффективностью внешнего двигателя, особенно, и составляет около 30% механического КПД (экспериментальные данные по прототипу двигателя).

Упрощение производственного процесса: процесс производства двигателя внешнего сгорания, особенно двигателя Стирлинга, является более простым по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания.В основном из-за уменьшения количества движущихся частей и упрощения систем впрыска, камеры сгорания и небольшого количества деталей, подверженных износу.

Основным рынком, который мы представляем для данной технологии, является рынок внедорожных двигателей. В частности, это сельскохозяйственные двигатели малой мощности, используемые в небольших тракторах, малой сельскохозяйственной технике и садовой технике. Но благодаря развитию технологий и других параллельных технологий мы можем определить будущую область использования, например: военные, наземные и морские транспортные средства, системы отопления и охлаждения, подключенные к технологиям тепловых насосов, все виды сельскохозяйственных транспортных средств и полевой техники, транспортные средства, используемые на территориях. с проблемами логистики поставок топлива.

Прикрепленные файлы:

Патенты:
WO 2,010,070,428, выдано 19 декабря 2008 г. [ПОДРОБНЕЕ]

Тип предложения: Продажа или лицензирование

«Больше патентов на энергию
« Больше патентов на автомобильную промышленность



Двигатели внешнего сгорания | … — Механическая информация

Двигатели внешнего сгорания | Применение, преимущества, недостатки

Все мы знаем, что двигатель преобразует одну форму энергии в другую, что обычно является работой.Типом двигателей, которые обычно используются для передвижения транспортных средств, являются двигатели внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания — это двигатели, которые сжигают топливо для получения энергии и преобразуют эту энергию в работу.

Двигатели внутреннего сгорания бывают двух типов.

Двигатель внутреннего сгорания и двигатель внешнего сгорания.

При внутреннем сгорании топливо горит внутри блока двигателя.

Как работают двигатели внутреннего сгорания, это не тема для обсуждения в этой статье.В этой статье речь пойдет о двигателях внешнего сгорания.

Работа двигателя внешнего сгорания
В двигателе внешнего сгорания топливо сгорает вне двигателя, а энергия, полученная при сгорании топлива, затем передается в двигатель с помощью теплоносителя.

Во многих двигателях теплоносителем является вода, но в некоторых других случаях это также может быть воздух.

Одним из наиболее распространенных примеров внешнего сгорания является паровая машина, разработанная великим ученым Джеймсом Ваттом.

В этом двигателе пар получают за счет тепла, получаемого при сжигании угля. Затем пар отправляется в двигатель, где его энергия давления преобразуется в работу. В то время использовался двигатель возвратно-поступательного типа.

Такие поршневые двигатели внешнего сгорания в настоящее время не используются. Их полностью заменили двигатели внутреннего сгорания. Причиной замены стали их большие размеры и неэффективность. Кроме того, они требуют большого ухода.

Поршневые двигатели внешнего сгорания сегодня можно легко увидеть в различных музеях.

Все ли двигатели внешнего сгорания сегодня не используются?

Ответ — нет, не все двигатели внешнего сгорания устарели. На самом деле, многие из них сегодня очень популярны.

Одним из самых популярных примеров двигателей внешнего сгорания сегодня является паровая турбина. Паровая турбина — это двигатель внешнего сгорания, который расходует пар и преобразует его энергию в полезную работу.Поскольку пар производится где-то вне турбины (которая является двигателем), он известен как двигатель внешнего сгорания.

На большинстве электростанций в мире паровые турбины используются для выработки электроэнергии. Причина их популярности в том, что, поскольку они являются двигателями внешнего сгорания, они не имеют ничего общего с типом топлива, которое используется для преобразования воды в пар. Все, что нужно паровым турбинам, — это пар хорошего качества.

Разнообразие видов топлива, которое можно использовать для производства пара в паровой турбине, очень велико.Это может быть уголь, дрова, травяная солома, жидкое или газообразное топливо.

Еще одним важным типом двигателя внешнего сгорания, который используется сегодня, является газовая турбина. Газовые турбины работают так же, как паровые, с той лишь разницей, что в качестве теплоносителя здесь используется воздух, а не пар.

Преимущества двигателей внешнего сгорания
Можно использовать практически любой доступный вид топлива.
Поскольку энергия не вырабатывается из-за детонации топлива, генерируется гораздо меньше шума.
Выбросы двигателя также очень низкие
Очень экономичны для выработки большой мощности
Недостатки двигателей внешнего сгорания
Не подходят для требований низкой нагрузки
Утечка рабочей жидкости
Расход смазочного материала
Размер двигателя относительно большой
Общая рабочая температура высока настолько велика требуется уход и специальные строительные материалы
Типы и применение двигателей внешнего сгорания
Паровые двигатели: локомотивы, судовые двигатели
Стерлинга: экспериментальные космические аппараты
Паровые турбины: силовые, большие судовые
Газовые турбины замкнутого цикла: силовые, судовые

Инженеры-автомеханики Говорят, что у двигателя внешнего сгорания мало будущего сжимаемая жидкость, г.Постма сообщил, что выбросы углеводородов, окиси углерода и оксидов азота были ниже строгих ограничений, предусмотренных Федеральным законом на 1978 год.

Расход топлива, по его словам, в среднем составлял 19,9 миль на галлон с бензином и 22,3 мили на галлон с дизельным топливом. при скорости двигателя от 30 до 70 миль в час. Эти цифры составили 47 и 65 процентов, соответственно, выше отметки в 13,5 миль на галлон, достигнутой средним автомобилем 1975 года в ходе стандартных испытаний на пробег Агентства по защите.

г.Постма вынес ряд предупреждений по поводу своего сообщения. Он сказал, что цифры взяты из испытательного стенда, а не из автомобиля, и из «небольшого пробега», который может не отражать то, что произойдет в течение 50 000 миль, требуемого законом.

Он сказал, что неизвестно, какие производственные спецификации потребуются для получения тех же результатов в массовом производстве, и что пробег «базового» автомобиля 1975 года увеличится в последующие годы, «и, таким образом, станет подвижной целью. . »

Несмотря на сообщения вроде Mr.Postma’s, многие присутствовавшие на встрече, согласились с тем, что поиск правительством и промышленностью альтернативы двигателю внутреннего сгорания, в котором искровый газ взрывается в камере и приводит в движение поршень в той же камере, пока не дал никаких ясных результатов. соперник.

Дж. Д. Коллинз из группы планирования и исследования продукции Ford сказал в интервью, что «оптимистичный» фанат по поводу выпуска первой серийной модели автомобиля с двигателем Stïrling в 1985 году был бы невозможен без какого-либо «партнерства» с правительством.«Мы не добьемся этого без реальной помощи», — сказал он.

Такая поддержка, средства или кредитные гарантии потребуются, чтобы побудить крупных поставщиков вступить в производственную программу Стирлинга с Ford, чтобы позволить строительство одной «линии», способной производить 500 000 двигателей Стирлинга в год в 1985 году.

Mr Коллинз согласился с академическими исследованиями, что любой конкурирующей двигательной системе потребуется не менее 10 лет, чтобы запустить ограниченное массовое производство, и 20 лет, чтобы зарекомендовать себя в качестве основного типа двигателя.

Роторный двигатель внешнего сгорания (Патент)

Дэвид С. В. Роторный двигатель внешнего сгорания . США: Н. П., 1988. Интернет.

Дэвид С. В. Роторный двигатель внешнего сгорания . Соединенные Штаты.

Дэвид, К. В.Вт. «Роторный двигатель внешнего сгорания». Соединенные Штаты.

@article {osti_7009332,
title = {Роторный двигатель внешнего сгорания},
author = {Дэвид, К. В.},
abstractNote = {Описан роторно-поршневой двигатель внешнего сгорания, содержащий: средство для сжатия воздуха и расширения сгорающего газа; вал, соединенный со средствами сжатия и расширения для передачи мощности посредством внешнего приводного вала; отверстие для впускного отверстия для воздуха для впуска окружающего воздуха в средство сжатия воздуха; выпускной клапан для выпуска сжатого воздуха, когда его давление превышает давление воздуха после клапана; отверстие выпускного окна во внешней конструкции для выпуска отработавшего газа из средства расширения газа; средства для приема сжатого воздуха из их средств сжатия, средства для смешивания топлива со сжатым воздухом, средства для воспламенения смеси для получения сгоревшего газа и средства для подачи сгоревшего газа к средствам расширения, средства для определения положения ротора мочка и связанная с ней вершина после того, как вершина прошла через второй порт; средство для использования положения выступа ротора для контроля срабатывания впускного клапана сгоревшего газа; и средство для приведения в действие впускного клапана сгоревшего газа.},
doi = {},
url = {https://www.osti.gov/biblio/7009332}, журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {1988},
месяц = ​​{8}
}

Двигатели внешнего сгорания — Что это?

Тепловые двигатели (в термодинамике) преобразуют тепловую (или тепловую) энергию в механическую.Тепловые двигатели обычно работают за счет расширения газа и / или жидкости при их нагревании. Двигатели внешнего сгорания — это тип теплового двигателя, в котором тепло вырабатывается (путем сгорания — сжигания) за пределами самого двигателя.

Со страницы википедии:

Двигатель внешнего сгорания (ЕС-двигатель) — это тепловой двигатель, в котором рабочая жидкость, содержащаяся внутри, нагревается за счет сгорания во внешнем источнике, через стенку двигателя или теплообменник. Затем жидкость, расширяясь и воздействуя на механизм двигателя, производит движение и полезную работу.Затем жидкость охлаждается, сжимается и повторно используется (замкнутый цикл) или (реже) сбрасывается, а холодная жидкость втягивается (двигатель открытого цикла).

Примером двигателя внешнего сгорания является цилиндр паровоза. В паровозе тепловая энергия вырабатывается путем сжигания химической энергии в топке. Эта тепловая энергия передается воде для производства перегретого пара, который подается в цилиндры. Расширение перегретого пара создает механическую энергию для привода локомотива.Используя эти определения, важно отметить, что двигатель — это как раз цилиндры, в которых происходит расширение, а не водогрейный котел или топка. Таким образом, сгорание в топке составляет внешних двигателя.

И наоборот, в двигателе внутреннего сгорания сгорание, при котором химическая энергия преобразуется в тепловую, происходит в самом двигателе, то есть внутри цилиндров.

TL; DR:

  • Внешнее сгорание — преобразование химической энергии в тепловую и преобразование тепловой энергии в механическую происходит в различных местах.
  • Внутреннее сгорание — преобразование химической энергии в тепловую и преобразование тепловой энергии в механическую происходит в том же месте .
Турбинный двигатель

| RadMax Technologies

Турбинный двигатель

Двигатели внутреннего и внешнего сгорания — это два основных типа первичных двигателей, которые сжигают топливо для выработки энергии. Примерами двигателей внутреннего сгорания являются бензиновые двигатели с искровым зажиганием (цикл Отто) и двигатели с воспламенением от сжатия (дизельный цикл).Примерами двигателей внешнего сгорания являются паровой двигатель (цикл Ренкина), двигатель горячего воздуха (Стерлинг) и газотурбинный двигатель (цикл Брайтона).

Все эти циклы имеют особые рабочие и физические характеристики и различные экономические соображения, которые позволяют использовать их для конкретных приложений. В следующей таблице приводится сравнение этих факторов.

Сравнение типов двигателей

Тип двигателя

КПД

Выбросы

Стоимость

Масса

Искровое зажигание (Отто)

Плохо

Плохо

Хорошо

Хорошо

Компрессионное зажигание (Дизель)

Хорошо

Плохо

Ярмарка

Ярмарка

Steam (Ранкин)

Хорошо

Плохо — Хорошо

Плохо — Хорошо

Плохо

Горячий воздух (Стерлинг)

Хорошо

Плохо

Плохо

Плохо

Газовая турбина (Брайтон)

Плохо

Хорошо

Плохо

Хорошо

Длительный срок службы, низкое отношение мощности к массе, а также растущие требования к окружающей среде и нормативные требования заставляют по-новому взглянуть на жизнеспособность газотурбинных двигателей для более широкого применения.Оптимизированное сгорание газотурбинного двигателя производит меньше общих выбросов, чем двигатели внутреннего сгорания. Однако их более низкая операционная эффективность и более высокие операционные и капитальные затраты препятствуют их более широкому использованию.

Двигатель RadMax Turbine Engine призван улучшить эффективность существующих газовых турбин и снизить затраты за счет включения более высокого КПД и более дешевого компрессора прямого вытеснения и газового расширителя технологии RadMax.

Турбинный двигатель прямого вытеснения RadMax
Газотурбинный двигатель RadMax оснащен высокоэффективным компрессором прямого вытеснения RadMax и детандером газа, соединенным с внешней камерой сгорания и рекуператором (теплообменником выхлопных газов).Комбинация этих устройств обеспечивает значительно более высокую эффективность извлечения топлива и энергии по сравнению с обычными газотурбинными двигателями.

Более низкая температура выхлопных газов в результате использования компрессора и детандера с более высоким КПД также имеет преимущество в виде снижения выбросов по сравнению с обычными газотурбинными двигателями. Кроме того, объединение компрессора и детандера в одном устройстве, использование впускных и выпускных отверстий большой площади вместо клапанов и большой рабочий объем для каждого размера устройства — все это значительно снижает потери тепла.

Газотурбинный двигатель RadMax может сжигать практически любой тип газообразного или жидкого топлива и характеризуется следующими характеристиками:

  • Постоянно оптимизированное сгорание, приводящее к снижению выбросов, более высокому КПД двигателя и лучшей экономии топлива (расчетная эффективность торможения 50 +%)
  • Более низкая скорость, чем у обычных газовых турбин с более высоким крутящим моментом
  • Большой диапазон изменения угла
  • Высокая удельная мощность
  • Плавный ход
  • Низкий уровень шума
  • Более низкие затраты на производство, эксплуатацию и обслуживание
  • Легко масштабируется от 20 л.с. и выше

RadMax Turbine Engine, цикл

Благодаря своей многотопливной, высокой топливной эффективности, компактным размерам и возможности чистого сжигания газотурбинный двигатель RadMax хорошо подходит для производства электроэнергии и применения в гибридных транспортных средствах.

RadMax Turbine Engine Operation
В газотурбинном двигателе RadMax, когда лопатки компрессора и расширителя движутся в осевом направлении, приводимые в движение поверхностью ротора, давление в каждой камере изменяется, когда соседние лопатки выдвигаются или втягиваются. Во время вращения ротора концы лопаток движутся по траектории, которая приближается к синусоидальной волне. Этот путь имеет уникальную конструкцию, так что при каждом обороте ротора объемы камер попеременно расширяются и сжимаются. Процесс повторяется в каждой из секций турбины, в каждой камере и с каждой стороны ротора.Сжатый воздух из компрессорных секций направляется в камеру сгорания, а горячий газ под высоким давлением из камеры сгорания направляется на вход секций газового расширителя.

Ротор газотурбинного двигателя RadMax непрерывно вращается в одном направлении, а не резко меняет направление, как в поршневых двигателях с возвратно-поступательным движением. Поскольку верхняя и нижняя поверхности ротора смещены по фазе на 90 градусов, газотурбинный двигатель RadMax всегда сбалансирован и демонстрирует минимальную вибрацию.

Комбинированная конфигурация турбины RadMax
Конструкция турбины RadMax представляет собой комбинацию четырех отдельных секций, по две на каждом кулачке.Эта уникальная конструкция позволяет потенциально настраивать каждую из этих секций с различными степенями сжатия или расширения. Для определенных применений можно было бы сконфигурировать две или три секции как расширители и одну или две секции как компрессор, тем самым устраняя необходимость в отдельных кулачках компрессора и расширителя.

Это проиллюстрировано на рисунке, где зеленый центр представляет ротор в «развернутом» состоянии. Вертикальные желтые полосы — это скользящие лопатки, разделяющие каждую камеру, а черные синусоидальные кривые — поверхности кулачков.По мере вращения ротора сегменты, образованные ротором, кулачками и лопатками, увеличиваются или уменьшаются в объеме, таким образом, функционируя как турбины или компрессоры.

В этом примере три секции движка RadMax сконфигурированы как расширители.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *