Двигатели внешнего сгорания. Двигатель Стирлинга

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В начале XXI века человечество смотрит в будущее с оптимизмом. На это есть самые веские доводы. Ученая мысль не стоит на месте. Сегодня нам предлагаются все новые и новые разработки. Идет внедрение в нашу жизнь все более экономичных, экологически безопасных и перспективных технологий

Это касается, прежде всего, альтернативного двигателестроения и использования альтернативных видов топлива: ветра, солнца, воды и других источников энергии.

Благодаря двигателям всевозможных типов человек получает энергию, свет, тепло и информацию. Двигатели являются сердцем, которое бьется в такт с развитием современной цивилизации. Они обеспечивают рост производства, сокращают расстояния. Распространенные в настоящее время двигатели внутреннего сгорания имеют целый ряд недостатков: их работа сопровождается шумом, вибрациями, они выделяют вредные отработавшие газы, загрязняю тем самым нашу природу, и потребляют много топлива. Но на сегодняшний день альтернатива им уже существует. Класс двигателей, вред от которых минимален, - двигатели Стирлинга, о которых я и собираюсь вам рассказать.

Двигатели внешнего сгорания. Двигатель Стирлинга

двигатель внутренний сгорание стирлинг

Двигатели внешнего сгорания -- 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. В данном реферате я подробно расскажу о двигателе Стирлинга.

Двигатель Стирлинга -- тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла. [2]

Двигатель характеризуется:

1. отсутствием клапанного механизма;

2. свободным от масла рабочим пространством;

3. высокими значениями среднего давления газа;

4. передачей тепла через стенки цилиндра или теплообменник.

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года. Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление регенератора. Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

В XIX веке инженеры хотели создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара и неподходящих материалов для их постройки. Хорошая альтернатива паровым машинам появилась с созданием двигателей Стирлинга, который мог преобразовывать в работу любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. В ряде экспериментальных образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и вода. В последнем случае вода остаётся в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла. Особенностью стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления. Существует также стирлинг с двухфазным рабочим телом. Он тоже характеризуется высокой удельной мощностью и высоким рабочим давлением. [1]

В основе работы двигателя Стирлинга лежит закон идеальных газов PV=nRT, это означает, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении -- уменьшается.

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Рис. 1. P-V и T-S диаграмма цикла Стирлинга

На диаграммах (рис. 1) цифрами обозначены точки, разделяющие этапы работы двигателя. На первом этапе (1-2) происходит изотермическое расширение газа. Далее, на следующем этапе (2-3) - охлаждение при постоянном объеме. Далее (этап 3-4) - изотермическое сжатие охлажденного газа. И наконец на этапе 4-1 разогрев при постоянном объеме. Полезная работа производится газом только на первом этапе. Все остальные происходят за счет запасенной части энергии (обычно, энергии вращающегося колеса).

Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:

а) Альфа-Стирлинг -- содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень -- горячий, другой -- холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

б) Бета-Стирлинг -- цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, частью теплообменника, или совмещённым с поршнем-вытеснителем.

в) Гамма-Стирлинг -- тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра -- один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.

Двигатель Стирлинга имеет ряд недостатков:

· Материалоёмкость -- основной недостаток двигателя.

У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

· Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела -- водород, гелий.

· Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

· Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Преимущества двигателя:

· «Всеядность» двигателя -- как все двигатели внешнего сгорания (вернее -- внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.

· Простота конструкции -- конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.

· Увеличенный ресурс -- простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.

· Экономичность -- в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.

· Бесшумность двигателя -- стирлинг не имеет выхлопа, а значит -- не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).

· Экологичность -- сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания. [3]

Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим компактный преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины.

Двигатель Стирлинга можно использовать во всех областях, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую. В самом деле, почти нельзя назвать ни одной сколько-нибудь серьёзной области потенциального применения двигателя Стирлинга, в которой уже не было бы предпринято попытки его использования или по крайней мере такая возможность не изучалась. При этом нельзя выделить каких-то необычных областей применения, поскольку во всех случаях имеются альтернативные источники механической энергии аналогичного назначения. По рабочим характеристикам или приспособленности альтернативные установки могут уступать двигателю Стирлинга, однако нет оснований утверждать, что двигатель Стирлинга - это единственно подходящий источник механической энергии для данной области применения, хотя было бы трудно, например, представить паровую турбину или дизельный двигатель в качестве привода искусственного сердца. Развитие двигателей Стирлинга, как и других источников механической энергии, стимулировалось, как правило, техническими и социально-экономическими требованиями времени. Так, например, о возможности использования двигателя Стирлинга на автомобиле особенно не задумывались до 1962г., когда общество еще не начало испытывать беспокойство по поводу загрязнения окружающей среды, и только в 70- годах, в условиях энергетического кризиса, влияние которого ощущается сейчас еще сильней, в программы совершенствования автомобильных двигателей Стирлинга начали вкладывать значительные средства. [1]

Рис. 2. Перспективы применения двигателя Стирлинга

Развитие науки и техники привело к образованию новых "экологических ниш", в которых с успехом может применяться двигатель Стирлинга. Некоторые из них показаны на рисунке 2.

В первом случае показан пример солнечной энергетической установки (solar power system). Высокий к.п.д., простота и надежность конструкции двигателя Стирлинга обуславливают эффективность его использования в данных системах. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух. Роль такого экологически чистого источника энергии в современном мире легко оценить.

На втором примере схематически изображен тепловой насос Вуллемейера (Vuillemeier Heat Pump). Известно, что при использовании обратного цикла Срирлинга, т.е. если, например, приводить двигатель Стирлинга в движение с помощью какого-либо внешнего источника (например, еще одного двигателя Стирлинга), то "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а "холодный" - разогреваться. Если при этом разогревать "горячий" цилиндр (например, окружающим воздухом), то "холодный" цилиндр будет разогреваться до более высокой температуры. При этом внешняя энергия расходуется не непосредственно на разогрев, а на "перекачку" тепла из холодного места в более теплое, что гораздо эффетивнее. Для идеального случая к.п.д.такой системы может бытьпосчитан как:

где

Т с - абсолютная температура холодной части

Т h - абсолютная температура горячей части

Поскольку даже в сильные морозы Т с редко опускается ниже 250 градусов Кельвина, для поддержания Т h на уровне 300 градусов Кельвина ( 27 0С) к.п.д. составляет 250/(300-250)=5. То есть, затратив 1 кВт . ч электроэнергии на работу теплового насоса, мы получим в 5 раз больше тепла, чем если бы подавали ту же мощность прямо на электронагреватель. Отсюда легко понять интерес к тепловым насосам на основе цикла Стирлинга.

На следующем примере представлен криокулер Стирлинга (Stirling cryocooler). Он работает по тому же принципу теплового насоса, но используется в качестве холодильной установки для получения очень низких температур..

На последнем примере показан двигатель Стирлинга, установленный на атомной подводной лодке. Поскольку в этом случае вес и габариты двигателя не играют решающей роли, высокий к.п.д. и надежность делают его идеальным кандидатом для преобразования тепловой энергии, вырабатываемой атомным реактором, в механическую. Благодаря тому, что двигатель Стирлинга практически не нуждается в уходе и настройке, он может быть размещен в изолированной части корпуса, что особенно существенно в случае затрудненного доступа (как в случае подводных лодок или космических аппаратов). [1]

Заключение

После своего изобретения в 1816 году, двигатель Стирлинга пережил первый период своего широкого распространения - в конце прошлого - начале нашего века, после чего был практически забыт. Но в последние годы он вновь привлекает к себе повышенный интерес в самых разных областях использования. В настоящее время быстро расширяется использование криокулеров на основе цикла Стирлинга, выпускаются электрогенераторы, работающие от двигателей Стирлинга. Его преимущества - высокий к.п.д., надежность, неприхотливость, возможность использования экологически чистых источников энергии позволяют рассчитывать на широкое распространение двигателя Стирлинга в будующем.

Список литературы

1. Двигатели Стирлинга. Пер. с англ. Под ред. В.М.Бродянского. М.: Мир, 1975.

2. Двигатели Стирлинга/В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А. Звонок и др.; под ред. М.Г. Круглова. - М.: “Машиностроение”, 1977.

3. Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга: Пер. с англ. М.: Энергия, 1978.

Размещено на Allbest.ru