Поиск перспективных энергосберегающих технологий, в частности использующих альтернативные и возобновляемые виды топлива – одно из основных направлений научно-технического прогресса XXI века. Однако в поисках нового не стоит забывать прежние выдающиеся достижения инженерной мысли, обретающие в нашу цифровую эпоху второе дыхание. Яркое тому подтверждение двигатель Стирлинга.
Дитя эпохи пара
Начало XIX века – расцвет эпохи пара. Благодаря паровым машинам стали бурно развиваться промышленность и транспорт. Они оказались на редкость надежными, устойчивыми к колебаниям нагрузки, долговечными, не требующими больших затрат при эксплуатации, простыми в обслуживании и практически «всеядными» в отношении к топливу.
Роберт Стирлинг и его двигатель
Были очевидны и недостатки – низкий КПД (не более 10%) и наличие громоздкого кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Нередко паровые котлы взрывались, не выдерживая чрезмерного давления пара, что приводило к разрушениям и человеческим жертвам.
Паровоз на базе двигателя Стирлинга
Все изменилось 27 сентября 1816 года, когда шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал уникальное изобретение под названием «двигатель горячего воздуха», безопасную альтернативу своему паровому предшественнику. Позже его назвали в честь создателя – двигатель Стирлинга (ДС).
Как работает двигатель Стирлинга
Первое, что бросается в глаза – простота конструкции. В состав двигателя Стирлинга (β-типа) входят два поршня – вытеснительный и рабочий, маховик, рубашка (ребра) охлаждения и теплообменный цилиндр. Чтобы ДС работал, необходим источник тепла.
Рабочий цикл протекает в четыре этапа
Первый этап. Происходит нагрев воздуха (или другого газа) в основании цилиндра. Разогретый внутри его воздух создает давление, которое заставляет рабочий поршень двигаться вверх. Вытеснительный поршень имеет одну важную особенность – неплотное прилегание к стенкам цилиндра.
Двигатель Стирлинга типа Бета
Второй этап. Приведенный в действие маховик (благодаря ему работа обоих поршней строго синхронизирована) с помощью толкающей штанги «отправляет» вытеснительный поршень вниз, который в свою очередь выдавливает разогретый воздух вверх в охлаждающую камеру.
Третий этап. В камере воздух остывает и сжимается, давая возможность рабочему поршню опуститься вниз.
Четвертый этап. Вытеснительный поршень движется вверх, одновременно вытесняя охлажденный воздух в основание цилиндра, после чего цикл возобновляется.
Плюсы и минусы
Первые промышленные ДС использовались в качестве водяных насосов и машин, обеспечивающих литейное производство. К началу ХХ века на предприятиях Европы работало уже более 250 тыс. вентиляторов, приводимых в действие ДС. Их КПД достигал 18%, что почти на 10 % выше КПД паровых двигателей.
И это далеко не единственное достоинство двигателей Стирлинга. Как и все двигатели наружного сгорания, они «всеядны». В их топливном «меню» буквально «все, что горит» – от угля, дров, мазута, газа до солнечной, геотермальной энергии и ядерного топлива.
Конструкция ДС чрезвычайно проста. Ей не требуются дополнительных систем и не нужен стартер, поскольку двигатель запускается самостоятельно. Как следствие этого – значительный рабочий ресурс, измеряемый иногда сотнями тысяч часов непрерывной работы.
Двигатели Стирлинга очень экономичны и малошумны, что в последствии было использовано при создании двигателей для подводных лодок.
Из недостатков, пожалуй, главный – материалоемкость. К тому же, чтобы двигатели Стирлинга могли на равных конкурировать с ДВС, им приходиться «добавить» высокое (более 100 атмосфер – прим. ред. Techcult.ru) давление, а также водород или гелий в качестве рабочего тела.
КПД ДС значительно снижается из-за того, что тепло рабочее тело «получает» через стенки теплообменника. Поскольку самому теплообменнику приходится работать в экстремальных условиях высокого давления и температуры, для его изготовления используются весьма дорогие жаропрочные материалы.
Определенные сложности возникают при регулировке оборотов. В частности, чтобы регулировать частоту вращения коленчатого вала, потребуется изменять показатели температуры.
Виды двигателей
Семейство двигателей Стирлинга представлено четырьмя видами – Альфа, Бета (принцип его работы описан выше), Гамма и роторным. У каждого из них свои конструкционные особенности.
Альфа-двигатель Стирлинга
У Альфа два цилиндра, один из которых оснащен охлаждающим радиатором, а в нижней его части осуществляется нагрев. В рабочих камерах обоих цилиндров установлены поршни. Усилия от поршневой группы передаются на коленчатый вал, соединенный шарниром с поршнем и вытеснителем.
Гамма-двигатель Стирлинга
Конструкция Гамма-двигателя отличается наличием двух цилиндров: один из них с радиатором охлаждения, поршнем и вытеснителем подвергается нагреву и охлаждению, в то время как второй постоянно «прохлаждается».
У роторного ДС отсутствует КШМ, что уменьшает габариты силового агрегата. Благодаря такой конструкции значительно улучшается герметичность рабочей камеры.
Однако в начале ХХ века у ДС появились мощные конкуренты – двигатели внутреннего сгорания, надолго отправившие в «запас» своих предшественников за счет более высокого КПД.
Современные области применения двигателей Стирлинга
В наши дни ДС переживают второе рождение во много благодаря их уникальным экологическим характеристикам. Напомним, концентрация вредных веществ в продуктах сгорания ДС на несколько порядков ниже, чем у поршневых и газотурбинных двигателей и, что не менее важно, минимальные шумы у них не превышают 60-65 дБ. Они незаменимы там, где необходимо преобразовывать тепловую энергию в механическую.
Одно из перспективных направлений современной энергетики – децентрализация энергоснабжения, которое реализуется путем строительства когенерационных установок, производящих из первичного источника топлива два или несколько видов полезной энергии.
Когенерационная установка
Использование ДС в когенерационных установках позволяет одновременно обеспечивать электроэнергией и теплом небольшие районы. КПД некоторых современных стирлинг-генераторов доходит до 95 %.
Тепловые насосы на базе ДС работают подобно кондиционерам. Правда, они используются не для охлаждения помещений или воды, а для нагрева.
Тепловой насос на базе ТС
ДС могут работать, как холодильные установки. Некоторые компании-производители холодильников уже готовы устанавливать на свои изделия ДС, что сделает их более экономичными, а рабочим телом станет обычный воздух.
Подводная лодка класса Никкен
Малошумность ДС еще в 60-е годы привлекла внимание разработчиков подводных лодок в ряде стран. В результате в 1988 году шведская субмарина класса «Никкен» была оснащена воздухонезависимыми ДС, с которыми она проплавала свыше 10000 часов. Примеру Швеции последовала Япония, где новейшие подводные лодки класса «Сорю» были оснащены четырьмя ДС VA-275R, каждая мощностью по 8000 л. с.
Солнечная электростанция с ДС
ДС найдет свое применение и в солнечной энергетике, где его устанавливают в фокус параболического зеркала, обеспечивающего постоянную «подсветку» зоны нагрева.
Содержание
- История
- Устройство
- Плюсы и минусы
- Типы
- Перспективы
