Энергетическое образование
1. Общие сведения
Паровые машины. В середине XVII века были сделаны первые попытки перехода к машинному производству, потребовавшие создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра и пр.). Первым двигателем, в котором использовалось тепловая энергия химического топлива стала пароатмосферная машина, изготовленная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери. Эта машина была лишена возможности непосредственно служить механическим приводом, к ней «прилагалось в комплект» водяное мельничное колесо (по-современному говоря, водяная турбина), которое вращала вода, выжимаемая паром из котла паровой машины в резервуар водонапорной башни. Котел то подогревался паром, то охлаждался водой: машина действовала периодически.
В 1763 году русский механик Иван Иванович Ползунов изготовил по собственному проекту стационарную паровую машину непрерывного действия. В ней были сдвоены два цилиндра, поочерёдно заполнявшиеся паром, и также подающими воду на башню, но — постоянно.
К 1784 году английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, названную универсальным паровым двигателем. Уатт с детства работал подручным на машине конструкции Севери. В его задачу входило постоянно переключать краны подачи пара и воды на котел. Эта однообразная работа изрядно надоела изобретателю и побудила изобрести как поршень двойного хода, так и автоматическую клапанную коробку (потом и центробежный предохранитель). В машине был предусмотрен в цилиндре жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Все происходило в автоматическом режиме и непрерывно. Поршень вращал через кривошипно—шатунную систему маховик, обеспечивающий плавность хода. Паровая машина могла теперь стать приводом различных механизмов и перестала быть привязана к водонапорной башне.
Элементы, придуманные Уаттом, входили в той или иной форме во все паровые машины. Паровые машины совершенствовали и применяли для решения различных технических задач: привода станков, судов, экипажей для перевозки людей по дорогам, локомотивов на железных дорогах. К 1880 году суммарная мощность всех работавших паровых машин превысила 26 млн кВт (35 млн л.с.).
Локомотив.Цикл Карно — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Цикл Карно назван в честь французского физика Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году. Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.
В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объём. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объёмах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик. Теоретически он должен раза в 2 превышать КПД для ДВС, а практически — это примерно одинаковые величины. Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований в этом направлении.
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. Долгое время были неоправданно забыты, в последнее время находят всё большее применение, в основном из-за таких своих особенностей как возможность использования любых источников тепла (например, солнечной или ядерной энергии), нетребовательность к виду топлива.
Двигатель внутреннего сгорания. Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен ещё в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дениса Папена (упомянутого выше, как создатель первой паровой машины) построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Первый надёжно работавший ДВС сконструировал в 1860 году французский инженер Эжен Ленуар. Двигатель Ленуара работал на газовом топливе. Спустя 16 лет немецкий конструктор Николас Отто создал более совершенный 4-тактный газовый двигатель. В этом же 1876 году шотландский инженер Дугальд Кларк испытал первый удачный 2-тактный двигатель. Совершенствованием ДВС занимались многие инженеры и механики. Так, в 1883 году немецкий инженер Карл Бенц изготовил использованный им в дальнейшем 2-тактный ДВС. В 1897 году его соотечественник и тоже инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, названный впоследствии дизелем. В XX веке ДВС стал основным двигателем в автомобильном транспорте. В 70-х годах почти 80 % суммарной мощности всех существовавших ДВС приходилось на транспортные машины (автомобили, трактора и пр.). Параллельно шло совершенствование гидротурбин, применявшихся на гидроэлектростанциях. Их мощность в 70-х годах XX века превысила 600 МВт.
Поршневые двигатели — камерой сгорания является цилиндр, где химическая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.
Бензиновые двигатели — смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе и далее во впускном коллекторе, или во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — её гомогенизированность. Чем более однородной по составу является смесь, тем более качественно идёт процесс сгорания.
Бензиновый двигатель.Дизельные двигатели
Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде, ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя.
Роторно-поршневой двигатель.Газотурбинный двигатель — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. В отличие от поршневого двигателя, в газотурбинном двигателе процессы происходят в потоке движущегося газа.
В первой половине XX века. создали новые типы первичных двигателей: газовые турбины, реактивные двигатели, а в 50-х и ядерные силовые установки. Процесс совершенствования и изобретения первичных двигателей продолжается.
Двигатели внешнего сгорания — Энциклопедия по машиностроению XXL
В последние годы стали разрабатываться газообразные поршневые двигатели, в которых продукты сгорания выполняют функции источника теплоты, а рабочим телом является газ (наиболее подходящий по своим термодинамическим свойствам), циркулирующий в замкнутом контуре. Идея подобного двигателя внешнего сгорания была высказана еще Р. Стирлингом в 1817 г. [c.540]Форсаж путем изменения способа работы ПЭ при том же ИЭ позволяет увеличить расход последнего. По конечному результату этот метод подобен первому, однако техническое осуществление его другое. Практически этот метод применим лишь к ДВС, которое можно конвертировать в двигатель внешнего сгорания с поршневой РМ, добавив форсажную камеру сгорания. При этом возникает ряд конструктивно-технологических проблем конденсация паров воды в картере, приводящая к разжижению смазки и увеличению износа, влияние необычно большого вредного пространства в РМ и др.
Двигатели внешнего сгорания [c.77]
Двигатели, в которых сгорание топлива осуществляется с внешней стороны цилиндра, содержащего замкнутую газовую систему и механические поршни, носят название двигателей внешнего сгорания. Этот тип двигателя сегодня приобретает важное значение, поскольку он, как и газовая турбина замкнутого цикла, позволяет снизить до минимума или даже совсем исключить вредные выбросы продуктов сгорания. Более того, термический КПД двигателя внешнего сгорания равен КПД цикла Карно.
Двигатель внешнего сгорания был изобретен еще в 1816 г., но, несмотря на высокий [c.77]
КПД, ОН оказался значительно более громоздким и тяжелым, чем другие двигатели той же мощности. В результате он не выдерживал конкуренции с изобретенными позже турбинами и две. Некоторые европейские фирмы вновь заинтересовались идеей двигателя внешнего сгорания после второй мировой войны. Успехи в области технологии конструкционных материалов позволили сделать двигатель экономичным, компактным и бесшумным. Учитывая возросший интерес к двигателю внешнего сгорания, рассмотрим принцип его работы и применимость в качестве источника энергии. [c.78]
Хотя рабочий цикл реального двигателя внешнего сгорания отличается от идеализированного цикла, можно получить очень высокий КПД. Двигатель внешнего сгорания имеет и еще ряд преимуществ. Поскольку процесс горения топлива (в автомобильном двигателе внешнего сгорания) идет непрерывно, а не вспышками как в ДВС, и при атмосферном давлении, а цилиндры хорошо сбалансированы, вибрация и шум практически отсутствуют. Двигатель можно использовать фактически без глушителя. Автобус с двигателем внешнего сгорания легко удовлетворяет нормам по шуму тех европейских стран, где эти нормы существуют. Выше уже упоминалось о преимуществах применения двигателя внешнего сгорания для уменьшения вредных выбросов. В нем в принципе может быть использован [c.78]
Как мы уже говорили, изобретение № 166202 еще не осуществлено в металле. Но изобретатели успели подметить некоторые его слабые стороны и нашли способ их устранить. Дело в том, что газовая постоянная увеличивается не только при нагреве перед турбиной в результате диссоциации, но и при сжатии в компрессоре. Газа как бы становится больше, и на его сжатие приходится затрачивать больше работы. При расширении в турбине — картина обратная. Эти обстоятельства несколько снижают к.п.д. двигателя. Чтобы избавиться от таких нежелательных явлений, нужно весь процесс сжатия и расширения тоже производить при постоянной температуре, изотермически. Но как раз так и происходит в двигателе внешнего сгорания—двигателе Стирлинга. Поэтому именно в нем целесообразнее всего использовать диссоциирующее рабочее тело, например треххлористый алюминий или смесь метана с углекислым газом (авторское свидетельство № 213039). [c.274]
Хотя двигатель Стирлинга и получает энергию извне, его нельзя с достаточной строгостью назвать двигателем внешнего сгорания, поскольку любой источник тепла с подходящей температурой, например сфокусированная солнечная энергия, аккумулированная тепловая энергия, тепловая энергия, выделяющаяся при горении металла, ядерная энергия и т. п., может быть использован для этой цели. В настоящее время в большинстве установок с двигателями Стирлинга применяется жидкое топливо из-за простоты его использования и из-за требований, обусловленных конкретным назначением установки. При использовании системы сгорания для нагрева рабочего тела применяют непрерывный процесс горения, что позволяет сжигать различные виды топлива, которые эффективно сгорают, не создавая опасности попадания твердых частиц из топлива, окислителя или окружающего пространства в рабочие цилиндры. При использовании для сжигания жидких топлив непрерывное горение можно легко регулировать, в результате чего снижается уровень выбросов, особенно несгоревших углеводородов и окиси углерода, однако, чтобы понизить содержание окислов азота, необходимы дополнительные меры. [c.19]
Воздушно-реактивный двигатель внешнего сгорания……………………95 [c.10]
С одинаковым успехом может быть сделан так называемый двигатель внешнего сгорания. [c.53]
Прошу выдать мне авторское свидетельство на предлагаемое мною изобретение воздушно-реактивного двигателя внешнего сгорания. [c.95]
Воздушно-реактивный двигатель внешнего сгорания [c.95]
Конструкция воздушно-реактивного двигателя внешнего сгорания очень проста. [c.95]
Предлагается новый двигатель — воздушно-реактивный двигатель внешнего сгорания. Двигатель не имеет камеры сгорания и представляет собой крыло самолета с расположенными в нем форсунками и свечами (у передней кромки крыла). Сгорание происходит вне крыла, в наружном воздухе, вблизи критической точки. [c.98]
Тепловые двигатели, в которых сгорание топлива происходит вне двигателя, называются двигателями внешнего сгорания. К таким двигателям относятся паровой поршневой двигатель и паровая турбина. В этих двигателях горение топлива происходит в топке парового котла. [c.5]
Паровая турбина, так же как и паровой поршневой двигатель, является двигателем внешнего сгорания. В ней, как и в паровом поршневом двигателе, сгорание топлива происходит вне самого двигателя, в специальном паровом котле. [c.7]
Таким образом, принципиальное отличие двигателя внутреннего сгорания от двигателей внешнего сгорания (парового поршневого двигателя и паровой [c.8]
Двигатель Стирлинга представляет собой поршневой двигатель внешнего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела. Подобно всем тепловым машинам он имеет высокотемпературный и низкотемпературный теплообменники. Тепловая труба может быть использована для передачи теплоты от единого источника к отдельным цилиндрам многоцилиндрового двигателя. Тепловые трубы могут быть также использованы для передачи отводимой теплоты радиатору. Идеальный цикл Стирлинга изображен на рис. 7-15. [c.232]
Интересно отметить, что вначале подобная машина предназначалась фирмой Филипс для получения работы, т. е. использовалась в качестве теплового двигателя внешнего сгорания. Тепло к нему подводилось потоком горячего газа (продуктов сгорания), который обогревал ребристую поверхность головки машины. [c.157]
Тепловые двигатели принято. делить на две группы двигатели внешнего сгорания и двигатели внутреннего сгорания. [c.29]
Двигателями внешнего сгорания называются тепловые двигатели, в которых сгорание топлива происходит вне двигателя. [c.29]
В тепловом двигателе внешнего сгорания в качестве теплоносителя (рабочего тела, выполняющего непосредственную работу в машине) используется водяной пар. Водяной пар получают в котле от теплоты сжигаемого топлива в топке (или реакторе атомных электростанций). Этот пар, называемый сырым, имеющий низкую температуру, равную температуре воды котла, при соприкосновении с холодными стенками машины интенсивно охлаждается и конденсируется, теряя давление. Это состояние называется мятием пара. Машины, работающие на сыром паре, имеют низкий КПД. Чтобы уменьшить эффект мятия, пар нагревают в пароперегревателе до температуры 300…600°С. Такие параметры пара приемлемы для работы паровых машин — поршневых или лопаточных (турбин). Поршневые машины применяются на паровозах и пароходах. Лопаточные двигатели применяются на тепловых и атомных электростанциях в качестве двигателей турбогенераторов. [c.130]
Какие существуют тепловые двигатели внешнего сгорания и где они применяются [c.147]
Нечувствительность к пыли окружающего пространства. Так как двигагель Стирлинга — двигатель внешнего сгорания, то пыль, попадающая в воздушный заряд камеры сгорания из окружающего пространства, не поступает в цилиндры и картер (в двигателе Стирлинга вентиляция картера не требуется). Вследствие этого в двигателе Стирлинга отсутствует дополнительный абразивный износ движущихся деталей механизма привода. Кроме того, из-за малой скорости движения воздушного заряда и отработавших тазов в рекуперативном теплообменнике [c.130]
К внешним силам, например, относятся давление рабочей смеси (газа или жидкости) на поршень кривошипно-ползунного механизма двигателя внутреннего сгорания, парового двигателя, компрессора, вращающий момент, развиваемый электродвигателем на валу рабочего механизма, и др. Некоторые силы возникают в результате движения механизма. К этим силам, например, относятся силы трения при движении, силы сопротивления среды и т. д. Некоторые силы, как, например, динамические реакции в кинематических парах, возникают при движении вследствие инерции звеньев. [c.204]
Анализ такого цикла с точки зрения теории тепловых процессов невозможен, а поэтому термодинамика исследует не реальные процессы двигателей внутреннего сгорания, а идеальные, обратимые циклы. В качестве рабочего тела принимают идеальный газ с постоянной теплоемкостью. Цилиндр заполнен постоянным количеством рабочего тела. Разность температур между источником теплоты и рабочим телом бесконечно малая. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива. То же необходимо сказать и об отводе теплоты. [c.262]
Примерами адиабатных процессов могут служить процессы сжатия воздуха в цилиндре воздушного огнива, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. В соответствии с первым законом термодинамики, при адиабатном сжатии изменение внутренней энергии газа Д1/ равно работе внешних сил А [c.100]
Каждая деталь машины в отдельности является системой материальных точек — телом, а машина в целом представляет собой материальную систему, состоящую из абсолютно твердых тел. При таком понимании материальной системы силы, действующие в системе, могут быть одновременно внешними и внутренними в зависимости от того, движение каких тел рассматривается. Например, сила, действующая на поршень двигателя внутреннего сгорания от давления газов, при рассмотрении кривошипно-шатунного механизма или машины в целом является внутренней силой, а при рассмотрении отдельно шатуна как материальной системы считается внешней. Для двигателя в целом внешней силой является сила полезного сопротивления того механизма или машины, для приведения в действие которых предназначен двигатель, например электрогенератора, компрессора, гребного винта и т. д. [c.174]
Термомеханические ХПЭ. По месту горения их разделяют на три группы двигатели внешнего сгорания (ДВшС), двигатели внутреннего сгорания (ДВС), двигатели смешанного сгорания (ДСС). Их термодинамические циклы можно обобщить в единый термомеханический цикл. [c.141]
В 1816 г. шотландский священник Р. Стирлинг получает патент на универсальную тепловую машину, состоящую из цилиндра с двумя по ршнями и регенератора-теп-лообмевни ка, способную работать на разных топливах как двигатель внешнего сгорания, как холодильник и как тепловой насос (отопитель). Низкий уровень науки и техники не позволил тогда создать высокоэффективные конструкции Стирлингов , однако в наше время этой машине сулят большое будущее. [c.95]
Влияние две на окружаюигую среду огромно. По имеющимся оценкам в г. Лос-Анджелесе (США) в 1968 г. автомобили выбрасывали в атмосферу только за один день 1700 т углеводородов, 9500 т СО и 620 т NO,. Борьба с вредными выбросами ведется по трем направлениям усовершенствование технологии топлива, технологии двигателей и технологии очистки выхлопных газов. По-видимому, к ним следует добавить четвертое — правильная текущая эксплуатация и контроль за состоянием автомобилей. Необходимо убрать с дорог устаревшие, работаюише на пределе автомобили, что явится существенным шагом на пути снижения уровня вредных выбросов. Проблема эмиссии требует системного подхода, направленного на улучшение всех компонентов. В будущем возможно настанет момент, когда усовершенствование ДВС достигнет своего предела и потребуется замена ДВС другими двигательными установками. Ряд автомобилестроительных фирм уже занимался или занимается поиском таких решений. В качестве альтернативы рассматриваются паровые и газовые турбины, двигатели внешнего сгорания и электрические двигатели, работающие от аккумуляторных батарей. [c.70]
Цикл Стирлинга, теоретически описывающий процессы, протекающие в реальном двигателе внешнего сгорания, включает (рис. 4.24) изотермическое сжатие а—Ь, подвод теплоты в нзохорном процессе Ь—с, расширение по изотерме с—d и еще один изохорный процесс d—а, замыкающий цикл. [c.78]
Характеристика Двигатель внешнего сгорания Гене- зис-1 Дизель-ныП двигатель Усовер- шенство- ванный двигатель внешнего сгорания [c.79]
Основным слабым местои двигателя внешнего сгорания является конструкция нагреваемой стенки цилиндра. Именно по этой причине такой двигатель начинает внедряться только сейчас, когда благодаря достижениям в металлургии созданы материалы, выдерживающие длительную работу при высоких температурах. [c.79]
Такой двигатель называется двигателем внутреннего сгорания, потому что топливо сгорает внутри него. В двигателях внешнего сгорания, таких, как паровой поршневой двигатель, тсхтливо сгорает снаружи, при этом нагревая воду, благодаря чему создается давление пара, приводящее в движение поршень. [c.8]
Целью принятой в 1977 г. Министерством энергетики США программы по двигателям внешнего сгорания являлось определение возможностей использования в двигателях Стирлинга мощностью от 370 до 1480 кВт эффективных способов нагрева рабочего тела продуктами сгорания угля и других альтернативных топлив, включая городские, промышленные и сельскохозяйственные отходы. Руководство за осуществление этой программой было возложено на Аргоннскую национальную лабораторию (шт. Иллинойс),. [c.14]
В 1978 г. Министерство энергетики США начало работу над Проектом двигателя внешнего сгорания , которым руководит Аргоннская национальная лаборатория Чикагского университета (шт. Иллинойс). В рамках этого проекта будут исследованы возможности создания электрогенераторов с двигателями Стирлинга мощностью от 500 до 2000 кВт для модульного применения в тех случаях, когда имеются в наличии горючие отходы однако их количества недостаточно, чтобы заменить ими сооружение полномасштабной паротурбинной электростанции, работающей по циклу Ренкина в базовом режиме нагрузки. Но существуют тысячи небольших населенных пунктов, подпадающих под эту категорию. Публикация целей проекта привлекла к себе более 60 фирм США. Ожидается, что принятие условий подряда, последующие эскизные проекты и создание прототипов послужат импульсом для разработки новых, ранее не рассматриваемых схем двигателей, которые могут быть особенно приемлемы для больших двигателей Стирлинга. [c.368]
Сварочные генераторы. Это специальные генераторы постоянного тока, внешняя характеристика которых позволяет получать устойчивое горение дуги, что достигается изменением магнитного потока генератора в зависимости от сварочного тока. Сварочный генератор постоянного тока состоит из статора с магнитными полюсами и якоря с обмоткой и коллекторами. При работе генератора якорь вращается в магнитном поле, создаваемом полюсами статора. Обмотка якоря пересекает магнитные линии полюсов генератора, и поэтому в витках обмотки возникает переменный ток, который с помощью коллектора преобразуется в постоянный. -Вращение якоря сварочного генератора обеспечивается в сварочных преобразователях электродвигателем, а в сварочных агрегатах — двигателем внутреннего сгорания. К коллектору прижаты угольные щетки, через которые постоянный ток подводится к клеммам. К этим клеммам присоединяют сварочные провода, идущие к электрододержа-телю и изделию. [c.61]
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:
- Из-за того что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод получаемого тепла происходит через стенки радиатора. Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
- 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.
- В качестве смазки придется покупать специальное средство, так как обычное коксуется при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
- 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.
Читать онлайн — Бреусов В. Принцип работы двигателя внешнего сгорания
| Паровая машина | |
| Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Музей индустриальной культуры. Нюрнберг | |
| Медиафайлы на Викискладе |
Парова́я маши́на
— тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле
паровая машина
— любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.
Первая паровая машина была построена в XVII веке французским физиком Папеном и представляла собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.
В России первая действующая паровая машина была построена в 1766 году по проекту Ивана Ползунова, предложенному им в 1763 году. Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно, и все действия в ней проходили автоматически. Но увидеть своё изобретение в работе И. И. Ползунову не пришлось: он умер 27 мая 1766 года, а его машина пущена в эксплуатацию на Барнаульском заводе только летом[1]. Через пару месяцев из-за поломки она перестала действовать и впоследствии была демонтирована.
Содержание
- 1 Принцип действия 1.1 Коэффициент полезного действия
- 1.2 Преимущества и недостатки
- 4.1 Вакуумные машины
- 8.1 Нетрадиционные машины
Конфигурация
Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных вида:
- α-Стирлинг
— содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах, один — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, с холодным — в более холодном. У данного вида двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические трудности. Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.
- β-Стирлинг
— цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, разделяющий горячую и холодную полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.
- γ-Стирлинг
— тоже есть поршень и вытеснитель, но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется вытеснитель). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.
Также существуют разновидности двигателя Стирлинга, не попадающие под вышеуказанные три классических вида:
- Роторный двигатель Стирлинга
— решены проблемы герметичности (патент Мухина на герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставке в Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, так как двигатель роторный)[1].
- Термоакустический двигатель Стирлинга — вместо использования поршня-вытеснителя, рабочее тело движется между горячей и холодной полости за счёт явлений акустического резонанса. Такая схема позволяет уменьшить количество движущихся частей, но возникают сложности с поддержанием акустического резонанса, а также со снятием мощности.
Принцип действия
Схема паровой машины тандем: 1 — поршень, 2 — поршневой шток, 3 — ползун, 4 — шатун, 5 — кривошип, 6 — движение эксцентрикового клапана, 7 — маховик, 8 — скользящий клапан, 9 — центробежный регулятор Схема работы паровой машины двойного действия
Для работы паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям.
Принцип действия поршневой паровой машины показан на иллюстрации. Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование
, показано на рисунке), или момент отсечки наполнения (
количественное регулирование
).
Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения, что показано кривыми зависимости давления p
от объёма
V
указанных полостей. Эти кривые образуют замкнутую линию в соответствии с тепловым циклом, по которому работает паровая машина между давлениями
p1
и
p2
, а также объёмами
V1
и
V2
. Первичный поршневой двигатель предназначен для преобразования потенциальной тепловой энергии (давления) водяного пара в механическую работу. Рабочий процесс паровой машины обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях её цилиндра, объём которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня. Пар, поступающий в цилиндр паровой машины расширяется и перемещает поршень. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма во вращательное движение вала. Впуск и выпуск пара осуществляются системой парораспределения. Для снижения тепловых потерь цилиндры паровой машины окружаются паровой рубашкой.
Моменты начала и конца процессов расширения и сжатия пара дают четыре основные точки реального цикла паровой машины: объём Ve
, определяемый точкой 1 начала или предварения впуска; объём конца впуска или наполнения
Е
, определяемый точкой 2 отсечки наполнения; объём предварения выпуска или конца расширения
Va
, определяемый точкой 3 предварения выпуска; объём сжатия
Vc
, определяемый точкой 4 начала сжатия. В реальной паровой машине перечисленные объёмы фиксируются парораспределительными органами.
Коэффициент полезного действия
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла.
КПД тепловой машины равен:
η t h = W o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}={\frac {W_{out}}{Q_{in}}}} ,
где Wout — механическая работа, Дж; Qin — затраченное количество теплоты, Дж.
Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передаётся от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):
η t h ≤ 1 − T 2 T 1 {\displaystyle \eta _{th}\leq 1-{\frac {T_{2}}{T_{1}}}}
Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД в 30—42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать КПД в 50—60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.
Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.
Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т. н. температурный напор). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.
У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении, конкретно — при давлении поступающего из котла пара. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют около 1 °C. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100 °C.
Преимущества и недостатки
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 29 октября 2014 года . |
Основным преимуществом паровых машин, как двигателей внешнего сгорания, в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива (источник тепла) — от кизяка до цепной реакции деления урана.
Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового океана на разных глубинах.
Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.
Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает, а, наоборот, возрастает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки и Китая, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.
В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60 % меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию[уточнить
]. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными тепловозами и электровозами[
уточнить
].
Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог.
Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.
Важным преимуществом поршневых паровых двигателей является сохранение максимального крутящего момента на любых оборотах, вплоть до самых минимальных. Это даёт паровым транспортным средствам динамику, недостижимую для нормальных средств с ДВС — преодоление уклонов на любой скорости, чрезвычайно медленный ход, плавный ход без рывков и т. д., а безрельсовым обеспечивает исключительную проходимость по бездорожью, несклонность к пробуксовке.
Благодаря высокому крутящему моменту поршневые паровые двигатели так же не нуждаются в коробке скоростей и понижающем редукторе, передавая усилие непосредственно на колёса или на дифференциал ведущего моста.
Простота устройства, щадящий температурный режим и низкие обороты, характерные для поршневых паровых двигателей, значительно повышают их ресурс, что обеспечивает им высокую надёжность и долговечность.
Поршневая паровая машина способна длительно выдерживать высокие перегрузки (до 100 %), на что ДВС неспособны.
Поршневая паровая машина не требует поддержания оборотов на холостом ходу и расходует пар строго пропорционально нагрузке, что значительно улучшает её экономичность. В современных автоматизированных котлах высокого давления подача топлива может отключаться сколь угодно часто, как только расход пара прекращается, а повторный пуск происходит практически мгновенно.
Поршневая паровая машина почти бесшумна.
Сжигание топлива в специальной камере при нормальном давлении позволяет провести полное окисление без образования токсичных продуктов. Использование геотермальной энергии, энергии солнца или других естественных источников может сделать паровую машину полностью экологически чистой. В результате экологический потенциал паровых машин гораздо выше, чем у двигателей внутреннего сгорания.
История
Роберт Стирлинг
Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление узла, который он назвал «эконом».
В современной научной литературе этот узел называется «регенератор». Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего регенератор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло регенератору, а при движении в другую сторону отбирает его. Регенератор может быть внешним по отношению к цилиндрам, а может быть размещён на поршне-вытеснителе в β- и γ-конфигурациях. В последнем случае размеры и вес машины оказываются меньше. Частично роль регенератора выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра (при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются значительные потери из-за вязкости газа). В α-стирлинге регенератор может быть только внешним. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.
В 1843 году его брат, Джеймс Стирлинг, использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.
Недостатки
Отрывок, характеризующий Двигатель внешнего сгорания
Назначено было торжественное заседание ложи 2 го градуса, в которой Пьер обещал сообщить то, что он имеет передать петербургским братьям от высших руководителей ордена. Заседание было полно. После обыкновенных обрядов Пьер встал и начал свою речь. – Любезные братья, – начал он, краснея и запинаясь и держа в руке написанную речь. – Недостаточно блюсти в тиши ложи наши таинства – нужно действовать… действовать. Мы находимся в усыплении, а нам нужно действовать. – Пьер взял свою тетрадь и начал читать. «Для распространения чистой истины и доставления торжества добродетели, читал он, должны мы очистить людей от предрассудков, распространить правила, сообразные с духом времени, принять на себя воспитание юношества, соединиться неразрывными узами с умнейшими людьми, смело и вместе благоразумно преодолевать суеверие, неверие и глупость, образовать из преданных нам людей, связанных между собою единством цели и имеющих власть и силу. «Для достижения сей цели должно доставить добродетели перевес над пороком, должно стараться, чтобы честный человек обретал еще в сем мире вечную награду за свои добродетели. Но в сих великих намерениях препятствуют нам весьма много – нынешние политические учреждения. Что же делать при таковом положении вещей? Благоприятствовать ли революциям, всё ниспровергнуть, изгнать силу силой?… Нет, мы весьма далеки от того. Всякая насильственная реформа достойна порицания, потому что ни мало не исправит зла, пока люди остаются таковы, каковы они есть, и потому что мудрость не имеет нужды в насилии. «Весь план ордена должен быть основан на том, чтоб образовать людей твердых, добродетельных и связанных единством убеждения, убеждения, состоящего в том, чтобы везде и всеми силами преследовать порок и глупость и покровительствовать таланты и добродетель: извлекать из праха людей достойных, присоединяя их к нашему братству. Тогда только орден наш будет иметь власть – нечувствительно вязать руки покровителям беспорядка и управлять ими так, чтоб они того не примечали. Одним словом, надобно учредить всеобщий владычествующий образ правления, который распространялся бы над целым светом, не разрушая гражданских уз, и при коем все прочие правления могли бы продолжаться обыкновенным своим порядком и делать всё, кроме того только, что препятствует великой цели нашего ордена, то есть доставлению добродетели торжества над пороком. Сию цель предполагало само христианство. Оно учило людей быть мудрыми и добрыми, и для собственной своей выгоды следовать примеру и наставлениям лучших и мудрейших человеков.
Двигатель внешнего сгорания (Стирлинга) / личный блог ars2141 / smotra.ru
Оказывается, на лекциях в университете не всегда хочется спать) Сегодняшняя лекция по теплотехнике была одной из таких. В середине её нам привели классификацию тепловых машин, и одной упомянутой машиной был Двигатель Внешнего Сгорания, он же двигатель Стирлинга. Этот агрегат меня в достаточной мере заинтересовал, вот решил поделиться и с вами.Подкатом много текста. Кому интересно — милости просим. Кому читать влом — просьба зазря не минусить.
Ну как раз с квалификации тепловых машин и начнём. Вообще все тепловые машины делятся на 2 класса: преобразующие полученное тепло в работу(тепло-силовые установки ТСУ) и наоборот, работу в тепло(холодильные и теплонасосные установки.)
В свою очередь, ТСУ делятся на открытые (двигатели внутреннего сгорания и газотурбинные двигатели) и закрытые. Вот имеено к таким относится двигатель Стирлинга.
Двигатель Стирлинга – это поршневой двигатель с внешним подводом теплоты от любого источника, в котором рабочее тело находится в закрытом контуре и его химический состав, во время работы двигателя, не изменяется. В простейшем варианте он состоит из двух цилиндров. Один цилиндр нагревается внешним источником тепла, а второй охлаждается. Цилиндры заполнены газом и соединены друг с другом, а их поршни механически связаны с помощью устройства, обеспечивающего определенный порядок их движения.
Во время движения поршня вверх происходит сжимание воздуха во всех полостях двигателя, рабочее тело через регенератор, где отбирает накопленную теплоту, перетекает в горячую полость. Теплоту к рабочему телу в горячей полости подводят извне сквозь стенки цилиндра, от продуктов сгорания, которые образовываются в камере сгорания. Нагревание рабочего тела в горячей полости предопределяет повышение его давления во всех соединенных между собой полостях двигателя. Под действием этого давления рабочий поршень перемещается вниз, осуществляя рабочий ход, а рабочее тело проходит регенератором, отдает ему часть теплоты, охлаждается в охладителе и подается к холодной полости. Через снижение температуры уменьшается давление. Дальше этот цикл повторяется.
Одним из больших плюсов является то, что осуществить работу такого двигателя можно при очень малом перепаде температур нагревателя и охладителя — 25-30 градусов Цельсия
По поводу применения.
В автомобилях эти двигатели в чистом виде не получили применения из-за сложности управления ими в быстро меняющихся режимах езды (торможение на светофоре, разгон при обгоне и т.д.) и своей громоздкости. Хотя их и применяют в составе комбинированных энергетических установок, как утилизаторы теплоты выбросов ДВС.
А на таких транспортных средствах как яхты, атомные подводные лодки, космические корабли, двигатели Стрилинга применяются довольно широко. Поскольку в этом случае вес и габариты двигателя не являются решающими факторами, именно надежность определяет его роль как идеального кандидата для преобразования тепловой энергии в механическую. Благодаря тому, что двигатель Стирлинга практически не нуждается в техническом обслуживании и регулировании, он может быть размещен в изолированной части корпуса, что важно в случае трудного доступа (на подводных лодках или космических кораблях).
Плюсы и минусы.
+:
Низкие выбросы вредных веществ
Низкая шумность из-за отсутствия ГРМ
Возможность применения любого вида топлива
Малый объём технических работ и высокая надёжность.
-:
Большие габариты двигателя
Применение достаточно дорогих материалов для изготовления, отвечающих требованиям теплоёмкости и теплопроводности.
Подводя итог, напрашивается мысль, что эти двигатели в недалёком будущем приобретут большое распространение, особенно когда начнут иссякать запасы нефти.
Спасибо за внимание))
Двигатель внешнего сгорания потапова
Изобретение относится к энергетическому машиностроению. Двигатель внешнего сгорания содержит объемную роторно-поршневую машину, резервуар-нагреватель и резервуар-холодильник. Внешние по отношению к ротору-поршню камеры роторно-поршневой машины образованы двумя плоскими торцевыми крышками, внутренней цилиндрической полостью статора, наружной поверхностью ротора-поршня и плоской наружной перегородкой-шибером. Роторно-поршневая машина снабжена неподвижным цилиндрическим сердечником, расположенным коаксиально полости статора. Ротор-поршень выполнен в форме трубы, примыкающей своею наружной поверхностью к внутренней поверхности цилиндрической полости статора, а внутренней поверхностью примыкающей к внешней цилиндрической поверхности сердечника. Во внутренней полости ротора-поршня параллельно оси статора размещена плоская внутренняя перегородка-шибер, образуя внутренние камеры. По обе стороны от внутренней перегородки-шибера в сердечнике выполнены окна внутренних камер. Через резервуар-холодильник соединены одно окно внутренней камеры и одно окно внешней камеры, а именно окна, расположенные на минимальном одно от другого расстоянии при измерении от центра поперечных сечений этих окон в зоне их пересечения с соответствующими камерами. Другое окно внутренней камеры и другое окно внешней камеры соединены через резервуар-нагреватель. Между окном внутренней камеры и резервуаром-нагревателем установлен обратный клапан. Изобретением достигается более полное использование внутреннего объема статора. 7 з.п.ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а конкретнее — к альтернативным схемам тепловых двигателей с внешним подводом тепла (двигателям Стирлинга), которые могут быть использованы в качестве привода в промышленности и на транспорте.
Известен роторный тепловой двигатель, содержащий корпус с нагнетательными и расширительными агрегатами, каждый из которых имеет кольцевую камеру с плоскими торцевыми стенками, внутри которой с эксцентриситетом установлен кольцевой поршень и подвижные поперечные перегородки, разделяющие полости высокого и низкого давления рабочего тракта агрегата, камеру сгорания, поочередно подключаемую к нагнетательному и расширительному агрегатам, трансмиссию для отбора мощности на выходной вал двигателя, воздухозаборный и выхлопные каналы (а.с. СССР 1665052, F02В 53/02; 23.07.1991). Данное техническое решение является двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с камерой сгорания, отдельной от нагнетательного и расширительного агрегатов. Недостатком двигателя является избирательность топлива, отложение продуктов горения на внутренних поверхностях конструкции, повышенный уровень шума и все другие недостатки, которые присущи двигателям внутреннего сгорания и отсутствуют у двигателей Стирлинга.
Известен тепловой двигатель (патент России 2204032 C1, F02В 53/08; F02G 3/02), который содержит корпус с нагнетательными и расширительными агрегатами, каждый из которых оснащен кольцевым ротором-поршнем, и внешней камерой сгорания, поочередно подключаемой к указанным агрегатам. Особенностью двигателя является то, что нагнетательные и расширительные агрегаты расположены коаксиально в общей кольцевой камере и отделены друг от друга общим плавающим кольцевым ротором-поршнем. Двигатель оснащен механизмом для сообщения плавающему кольцевому ротору-поршню плоскопараллельного кругового движения, размещенный на одной из торцевых стенок кольцевой камеры. В противоположной распределительной торцевой стенке кольцевой камеры выполнены впускные и выпускные окна нагнетательного и расширительного агрегатов, отделенные друг от друга соответствующими подвижными поперечными перегородками. Отдельная камера сгорания размещена с внешней стороны распределительной торцевой стенки, и ее корпус снабжен механизмом перемещения относительно указанной стенки. Камера имеет плоскую стенку с окнами, периодически совмещенными с соответствующими окнами нагнетательного и распределительного агрегатов. Достоинствами двигателя является большая компактность роторно-поршневого двигателя в сравнении с обычными поршневыми двигателями, а также благодаря тому, что объем полости расширения более чем в полтора раза больше объема полости сжатия достигается более полное использование энергии расширения горючей смеси. Данный аналог, так же как и предыдущий, является двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с выносной камерой сгорания, поэтому ему также присущи все недостатки ДВС. Кроме того, сложность системы газораспределения и проблемы с уплотнением кольцевого поршня уменьшают конкурентоспособность такого двигателя относительно общеизвестных поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является роторный двигатель внешнего сгорания (роторный двигатель Стирлинга) по патенту RU №2208176 (опубликован 10.07.2003 г.), который принимается за аналог-прототип. Сущность технического решения прототипа заключается в том, что двигатель содержит объемную роторную машину, включающую в себя статор с торцевыми крышками, ротор-поршень, связанный через трансмиссию с выходным силовым валом, содержит также нагреватель, регенератор, холодильник, каналы, оборудованные клапанами, рабочую среду и устройство регулирования давления рабочей среды. Статор прототипа оборудован тремя подвижными перегородками-шиберами, образующими, в совокупности со статором и ротором-поршнем, силовую, вытеснительную и промежуточную камеры. При этом цилиндрический ротор-поршень посажен на кривошип силового выходного вала и катится по внутренней цилиндрической поверхности статора либо он посажен соосно с силовым валом и оборудован по крайней мере одним кулачком. В этом двигателе основным нововведением является наличие промежуточной камеры, выполняющей функцию буферной емкости для отработанного газа и роль временного замедлителя, дающего возможность нагреть газ во время движения кулачка ротора по промежуточной камере. При всех несомненных достоинствах прототипа следует заметить, что полезные (рабочие) объемы камер составляют лишь небольшую часть от внутреннего объема цилиндрической полости статора, т.к. большую часть занимает объем ротора. Это обстоятельство является препятствием для улучшения массогабаритных характеристик двигателя.
Изобретение имеет своей целью расширение арсенала конструктивных решений, используемых в двигателях внешнего сгорания. Техническим результатом изобретения является более полное, по сравнению с прототипом, использование внутреннего объема статора.
Сущность изобретения определяется совокупностью следующих признаков.
Как и ближайший аналог, заявляемый двигатель внешнего сгорания содержит объемную роторно-поршневую машину, резервуар-нагреватель и резервуар-холодильник, причем камеры объемной роторно-поршневой машины образованы двумя плоскими торцевыми крышками, внутренней цилиндрической полостью неподвижного цилиндрического статора, наружной поверхностью расположенного внутри этой полости ротора-поршня, плоской, расположенной параллельно оси статора, наружной перегородкой-шибером, которая зафиксирована по углу поворота относительно статора, цилиндрическая полость статора снабжена окнами внешних по отношению к ротору-поршню камер, к окнам этих камер подсоединены трубопроводы, целесообразно сообщающиеся с резервуаром-нагревателем, резервуаром-холодильником, ротор-поршень механически соединен с выходным валом.
От ближайшего аналога заявляемое техническое решение отличается следующими признаками:
— объемная роторно-поршневая машина снабжена неподвижным цилиндрическим сердечником, расположенным коаксиально цилиндрической полости статора,
— ротор-поршень выполнен в форме трубы, примыкающей своею наружной поверхностью к внутренней поверхности цилиндрической полости статора, а внутренней поверхностью примыкающей к внешней цилиндрической поверхности сердечника, торцевыми поверхностями примыкающей к плоским торцевым крышкам, причем ротор-поршень соединен с механизмом, обеспечивающим его плоскопараллельное движение внутри внутренней цилиндрической полости статора, при котором ось ротора-поршня эксцентрично вращается вокруг оси цилиндрической полости статора таким образом, что обеспечивается непрерывный контакт наружной и внутренней поверхностей ротора-поршня соответственно с внутренней цилиндрической поверхностью статора и с внешней цилиндрической поверхностью сердечника
— во внутренней полости ротора-поршня параллельно оси статора размещена плоская внутренняя перегородка-шибер, зафиксированная по углу поворота относительно сердечника и расположенная по отношению к наружной перегородке-шиберу под углом в пределах 30-120 угловых градусов, образуя внутренние камеры объемной роторно-поршневой машины,
— по обе стороны от внутренней перегородки-шибера в сердечнике выполнены окна внутренних камер, сообщающиеся с внутренним пространством ротора-поршня,
— к указанным окнам подсоединены трубопроводы, посредством трубопроводов соединены через резервуар-холодильник одно окно внутренней камеры и одно окно внешней камеры, а именно окна, расположенные на минимальном одно от другого расстоянии при измерении от центра поперечных сечений этих окон в зоне их пересечения с соответствующими камерами, другое окно внутренней камеры и другое окно внешней камеры соединены посредством трубопроводов через резервуар-нагреватель,
— между окном внутренней камеры и резервуаром-нагревателем установлен обратный клапан в направлении открытого протока от окна камеры к резервуару-нагревателю.
На Фиг.1 изображена схема двигателя внешнего сгорания с более подробным изображением примененной в двигателе объемной роторно-поршневой машины.
На Фиг.2а, 2б, 2в изображена схема трех основных фаз полного цикла работы двигателя внешнего сгорания, позволяющая пояснить принцип его действия.
Двигатель внешнего сгорания содержит объемную роторно-поршневую машину (1), резервуар-нагреватель (2) и резервуар-холодильник (3), причем камеры объемной роторно-поршневой машины образованы двумя плоскими торцевыми крышками (не показаны), внутренней цилиндрической полостью неподвижного цилиндрического статора (4), наружной поверхностью расположенного внутри этой полости ротора-поршня (5), плоской, расположенной параллельно оси статора, наружной, по отношению к ротору-поршню, перегородкой-шибером (6), которая зафиксирована по углу поворота относительно статора (4), цилиндрическая полость статора снабжена окнами (7) и (8) внешних по отношению к ротору-поршню (5) камер (9) и (10), к окнам этих камер подсоединены трубопроводы (11) и (12), сообщающиеся с резервуаром-нагревателем (2) и резервуаром-холодильником (3) соответственно. Согласно расчетам наилучшие характеристики двигателя обеспечиваются в том случае, если объемы резервуара-нагревателя (2) и резервуара-холодильника (3) соотносятся в пропорции 1:3. Окна (7) и (8) внешних камер (9) и (10) выполнены на минимальном расстоянии от наружной перегородки-шибера (6) по обе ее стороны. Объемная роторно-поршневая машина 1 снабжена неподвижным цилиндрическим сердечником (13), установленным коаксиально цилиндрической полости статора (4). Ротор-поршень (5) выполнен в форме трубы, примыкающей своею наружной поверхностью к внутренней поверхности цилиндрической полости статора (4), внутренней поверхностью примыкающей к наружной цилиндрической поверхности сердечника (13), а торцевыми поверхностями примыкающей к плоским торцевым крышкам (не показаны). Ротор-поршень (5) соединен с механизмом (14), обеспечивающим его плоскопараллельное движение (качающееся) внутри внутренней цилиндрической полости статора (4), при котором ось ротора-поршня (5) эксцентрично вращается вокруг оси цилиндрической полости статора таким образом, что обеспечивается непрерывный контакт наружной и внутренней поверхностей ротора-поршня (5) соответственно с внутренней цилиндрической поверхностью статора (4) и с внешней цилиндрической поверхностью сердечника (13). Такой механизм может быть выполнен как совокупность двух или более кривошипных механизмов, пальцы которых укреплены в теле ротора-поршня (5) с возможностью вращения, а цапфы заподлицо укреплены в плоских торцевых крышках объемной машины (1) так же с возможностью вращения. Для уравновешивания динамических сил на цапфах кривошипных механизмов могут быть установлены противовесы (не показаны), расположенные оппозитно пальцам механизмов по общеизвестной механической схеме (см. например: Дизели. Справочник. Под ред. В.А.Ваншейдта и др. Л., Машиностроение, 1977, стр.115). Ротор-поршень (5) механически соединен с выходным валом (не показан) объемной роторно-поршневой машины (1) через зубчатую передачу (не показана) от двух или более цапф кривошипа к выходному валу. Во внутренней полости ротора-поршня (5) параллельно оси статора (4) размещена плоская внутренняя перегородка-шибер (15), зафиксированная по углу поворота относительно сердечника (13) и расположенная по отношению к наружной перегородке-шиберу (6) под углом в пределах 30-120 угловых градусов, образуя внутренние камеры (16) и (17) объемной роторно-поршневой машины (1). По обе стороны от внутренней перегородки-шибера (15), на минимальном от нее расстоянии, в сердечнике (13) выполнены окна (18) и (19) внутренних камер, сообщающиеся с внутренним пространством ротора-поршня (5), к указанным окнам подсоединены трубопроводы (20) и (21). Посредством трубопровода (20) соединено через резервуар-холодильник (3) окно (18) внутренней камеры (17) и окно (7) внешней камеры (9), эти окна расположены на минимальном одно от другого расстоянии при измерении от центра поперечных сечений этих окон в зоне их пересечения с соответствующими камерами. Окна (8) и (19) соединены посредством трубопроводов (11) и (21) через резервуар-нагреватель (2), причем между окном (19) внутренней камеры и резервуаром-нагревателем (2) установлен обратный клапан (22) в направлении открытого протока от окна камеры к резервуару-нагревателю. Конструкция перегородок-шиберов (6) и (15) обеспечивает их плоское движение в посадочных гнездах статора (4) и сердечника (13) и непрерывный герметичный контакт соответственно с внешней и с внутренней поверхностями ротора-поршня (5). Конструктивное решение этих узлов может быть следующее: в статоре (4) наружная перегородка-шибер (6) одним своим концом посажена в плоский щелевой канал (23), выполненный в теле статора (4), на другом же ее конце выполнены проушины (24), шарнирно связанные с бегунками (25), размещенными в канавках (26) на торцевых поверхностях ротора-поршня (5). Аналогично в сердечнике (13) внутренняя перегородка-шибер (15) одним своим концом посажена в плоский щелевой канал (27), выполненный в теле сердечника (13), на другом же ее конце выполнены проушины (28), шарнирно связанные с бегунками (29), размещенными в кольцевых канавках (30) на торцевых поверхностях ротора-поршня (5).
Двигатель внешнего сгорания работает следующим образом:
а) За начало цикла работы двигателя примем положение (Фиг.2а), когда линия эксцентриситета (так далее по тексту), т.е. линия, соединяющая в плане геометрические центры ротора-поршня (5) и статора (4), образует с вертикалью угол 45° (движение линии контакта наружной поверхности ротора-поршня (5) и внутренней поверхности статора (4) происходит по часовой стрелке). Газ из резервуара-нагревателя (2), изотермически расширяясь, за счет подводимой тепловой энергии, под давлением поступает в расширяющуюся внешнюю камеру (10) и результирующей силой своего давления на наружную поверхность ротора-поршня (5), приложенной эксцентрично к его оси, приводит ротор-поршень (5) в движение. Внешняя камера (9) начинает при этом уменьшаться в объеме (сжиматься), и газ из нее поступает в резервуар-холодильник (3), где охлаждается и сжимается, имея при этом возможность перетекания во внутреннюю камеру (17). Внутренняя камера (17) в этом положении обладает максимальным объемом, а камера (16) соответственно — минимальным.
б) По мере движения ротора-поршня (5) линия эксцентриситета поворачивается и составляет с вертикалью угол 90° (Фиг.2б). Конфигурация внутренних камер (16) и (17) изменилась за счет прохождения линии контакта ротора-поршня (5) и сердечника (13) через плоскость внутренней перегородки-шибера (15). Камера (16) теперь содержит охлажденный газ, имеет максимальный объем и сжимается, а камера (17) имеет минимальный объем и расширяется. Газ из резервуара-нагревателя (2), расширяясь, под давлением продолжает поступать в расширяющуюся внешнюю камеру (10) и двигать ротор-поршень (5). Из сжимающейся камеры (9) газ продолжает поступать в резервуар-холодильник (3) и, далее, в расширяющуюся внутреннюю камеру (17). Содержащийся во внутренней камере (16) охлажденный газ начинает адиабатически сжиматься, не имея выхода, поскольку давление в камере (10), соединенной с резервуаром-нагревателем (2), препятствует протоку газа из камеры (16) через обратный клапан (22) и резервуар-нагреватель (2) в камеру (10). Давление в камере (16) при этом повышается, а внутренняя энергия газа растет (запасается). При выравнивании давления во внутренней камере (16) и внешней камере (10) начинается вытеснение газа из камеры (16) через обратный клапан (22) и резервуар-нагреватель (2) во внешнюю камеру (10), при этом энергия, запасенная газом при сжатии в камере (16), расходуется с пользой в процессе его расширения в камере (10), складываясь с энергией, сообщенной газу в резервуаре-нагревателе (2). Поскольку объем и неуравновешенные поверхности у камеры (10) превышают таковые у камеры (16), то на сжатие газа в камере (16) расходуется лишь часть механической работы, совершаемой газом в результате его расширения во внешней камере (10). Следовательно, при определенных соотношениях объемов внутренних и внешних камер, данную фазу цикла двигатель может проходить даже без использования маховика. Расчеты показывают, что для этого объем резервуара-нагревателя должен быть не меньше максимального объема внешней камеры.
в) Ротор-поршень (5) перемещается, линия эксцентриситета поворачивается далее и составляет 0° с вертикалью, т.е. совпадает с нею (Фиг.2в). Это окончание цикла. Внешняя камера (10) достигла максимального объема и заполнена «мятым», т.е. отработавшим фазу расширения горячим газом. Внешняя камера (9) при этом имеет минимальный объем.
В следующий момент времени при дальнейшем движении ротора-поршня (5) и прохождении линии контакта ротора-поршня (5) и статора (4) через плоскость наружной перегородки-шибера (6), осуществится изменение конфигурации внешних камер. Камеры (10) и (9) осуществят взаимное превращение, и конфигурация всех камер объемной машины будет соответствовать описанной в пункте «а». Далее цикл повторяется.
1. Двигатель внешнего сгорания, содержащий объемную роторно-поршневую машину, резервуар-нагреватель и резервуар-холодильник, причем камеры объемной роторно-поршневой машины образованы двумя плоскими торцевыми крышками, внутренней цилиндрической полостью неподвижного цилиндрического статора, наружной поверхностью расположенного внутри этой полости ротора-поршня, плоской, расположенной параллельно оси статора, наружной перегородкой-шибером, которая зафиксирована по углу поворота относительно статора, цилиндрическая полость статора снабжена окнами внешних по отношению к ротору-поршню камер, к окнам этих камер подсоединены трубопроводы, целесообразно сообщающиеся с резервуаром-нагревателем, резервуаром-холодильником, ротор-поршень механически соединен с выходным валом, отличающийся тем, что объемная роторно-поршневая машина снабжена неподвижным цилиндрическим сердечником, расположенным коаксиально цилиндрической полости статора, сам же ротор-поршень выполнен в форме трубы, примыкающей своею наружной поверхностью к внутренней поверхности цилиндрической полости статора, а внутренней поверхностью — примыкающей к внешней цилиндрической поверхности сердечника, торцевыми поверхностями — примыкающей к плоским торцевым крышкам, причем ротор-поршень соединен с механизмом, обеспечивающим его плоскопараллельное движение внутри внутренней цилиндрической полости статора, при котором ось ротора-поршня эксцентрично вращается вокруг оси цилиндрической полости статора таким образом, что обеспечивается непрерывный контакт наружной и внутренней поверхностей ротора-поршня соответственно с внутренней цилиндрической поверхностью статора и с внешней цилиндрической поверхностью сердечника, кроме того, во внутренней полости ротора-поршня параллельно оси статора размещена плоская внутренняя перегородка-шибер, зафиксированная по углу поворота относительно сердечника и расположенная по отношению к наружной перегородке-шиберу под углом в пределах 30-120 угловых градусов, образуя внутренние камеры объемной роторно-поршневой машины, по обе стороны от внутренней перегородки-шибера в сердечнике выполнены окна внутренних камер, сообщающиеся с внутренним пространством ротора-поршня, к указанным окнам подсоединены трубопроводы, посредством трубопроводов соединены через резервуар-холодильник одно окно внутренней камеры и одно окно внешней камеры, а именно окна, расположенные на минимальном одно от другого расстоянии при измерении от центра поперечных сечений этих окон в зоне их пересечения с соответствующими камерами, другое окно внутренней камеры и другое окно внешней камеры соединены посредством трубопроводов через резервуар-нагреватель, причем между окном внутренней камеры и резервуаром-нагревателем установлен обратный клапан в направлении открытого протока от окна камеры к резервуару-нагревателю.
2. Двигатель внешнего сгорания по п.1, отличающийся тем, что механизм, обеспечивающий плоскопараллельное движение ротора-поршня внутри внутренней цилиндрической полости статора, выполнен как совокупность двух или более кривошипных механизмов, пальцы которых укреплены в теле ротора-поршня с возможностью вращения, а цапфы заподлицо укреплены в плоских торцевых крышках с возможностью вращения.
3. Двигатель внешнего сгорания по п.2, отличающийся тем, что на цапфах кривошипных механизмов установлены противовесы.
4. Двигатель внешнего сгорания по п.2, отличающийся тем, что его ротор-поршень механически соединен с выходным валом через зубчатую передачу от двух или более цапф кривошипа к выходному валу.
5. Двигатель внешнего сгорания по п.1, отличающийся тем, что объемы резервуара-нагревателя и резервуара-холодильника соотносятся в пропорции 1:3.
6. Двигатель внешнего сгорания по п.1, отличающийся тем, что объем резервуара-нагревателя не меньше максимального объема внешней камеры.
7. Двигатель внешнего сгорания по п.1, отличающийся тем, что в статоре наружная перегородка-шибер одним своим концом посажена в плоский щелевой канал, выполненный в теле статора, на другом же ее конце выполнены проушины, шарнирно связанные с бегунками, размещенными в канавках на торцевых поверхностях ротора-поршня.
8. Двигатель внешнего сгорания по п.1, отличающийся тем, что в сердечнике внутренняя перегородка-шибер одним своим концом посажена в плоский щелевой канал, выполненный в теле сердечника, на другом же ее конце выполнены проушины, шарнирно связанные с бегунками, размещенными в кольцевых канавках на торцевых поверхностях ротора-поршня.
Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: топливо горит снаружи
Эта статья посвящена одному изобретению, запатентованному ещё в девятнадцатом веке шотландским одним священником Стирлингом. Как и все предшественники, это был двигатель внешнего сгорания. Только отличие его от остальных в том, что он может работать и бензине, и на мазуте, и даже на угле и дровах.
Двигатель внешнего сгорания. История открытия Стирлинга
В XIX веке возникла необходимость замены паровых двигателей на что-то более безопасное, так как котлы часто взрывались из-за высокого давления пара и некоторых серьезных конструктивных недостатков.
Хорошим вариантом стал двигатель внешнего сгорания, который запатентовал в 1816 году шотландский священник Роберт Стирлинг.
Правда, «двигатели горячего воздуха» делали и раньше, ещё в XVII веке. Но Стирлинг добавил в установку очиститель. В современном понимании ‒ регенератор.
Он повысил производительность установки, сохраняя тепло в тёплой зоне машины, в тот момент, когда рабочее тело охлаждалось. Это значительно увеличило эффективность системы.
Изобретение нашло широкое практическое применение, была стадия подъема и развития, но затем Стирлинги были незаслуженно забыты.
Они уступили место паровым машинам и двигателям внутреннего сгорания, а в двадцатом веке снова возродились.
Ввиду того что этот принцип внешнего сгорания сам по себе очень интересен, сегодня над созданием новых моделей трудятся лучшие инженеры и любители в США, Японии, Швеции…
Двигатель внешнего сгорания. Принцип работы
«Стирлинг» ‒ как мы уже упоминали, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основной принцип его работы заключается в постоянном чередовании нагревания и охлаждения рабочего тела в замкнутом пространстве и получении энергии, благодаря возникающему при этом изменению объёма рабочего тела.
Как правило рабочим телом выступает воздух, но может использоваться водород или гелий. В опытных образцах пробовали двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан и даже воду.
Кстати, вода пребывает в жидком состоянии на протяжении всего термодинамического цикла. А сам «стирлинг» с жидким рабочим телом имеет компактные размеры, высокую удельную мощность и высокое рабочее давление.
Виды стирлингов
Существуют три классических вида двигателя Стирлинга:
- Альфа-Стирлинг ‒ имеет два раздельных силовых поршня расположенных в раздельных цилиндрах. Один из них ‒ горячий, а другой ‒ холодный. Горячая пара «цилиндр и поршень» расположены в теплообменнике с высокой температурой, холодная пара «цилиндр и поршень» ‒ с пониженной температурой. У этого вида соотношение мощности и объёма достаточно велико, хотя, и очень высокая температура «горячего» поршня, что создаёт технические трудности при изготовлении.
Регенератор расположен между горячей и холодной соединительными трубками; - В модели Бета-Стирлинг ‒ всего один цилиндр. Он горячий на одном конце и холодный на другом. Внутри цилиндра перемещаются поршень (с него снимают мощность) и вытеснитель (он изменяет объём горячей зоны). Газ качается из холодной зоны цилиндра в горячую сквозь регенератор. Регенераторы бывают внешними, в виде части теплообменника, или совмещёнными с поршнем-вытеснителем;
- В варианте Гамма-Стирлинг тоже присутствуют поршень и вытеснитель, но здесь уже два цилиндра: первый холодный (где движется поршень для отбора мощности), и второй ‒ горячий с одной стороны и холодный с другой (там перемещается вытеснитель). Регенератор также может быть внешним, тогда он соединяет горячую зону второго цилиндра с холодной и с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор конструктивно входит в состав вытеснителя;
Применение
Двигатель Стирлинга можно применять в случаях, если требуется простой, компактный преобразователь тепловой энергии или когда эффективность других типов тепловых машин ниже: к примеру, если разница температур недостаточна для использования газовой или паровой турбины.
Вот конкретные примеры использования:
- Уже сегодня выпускаются автономные генераторы для туристов. Есть модели, которые работают от газовой конфорки;
NASA заказало вариант генератора на основе «стирлинга», который работает от ядерного и радиоизотопного источников тепла. Он будет использоваться в космических экспедициях.
- «Стирлинг» для перекачки жидкости гораздо проще установки «двигатель-насос». В качестве рабочего поршня он может использовать перекачиваемую жидкость, которая будет заодно охлаждать рабочее тело.Таким насосом можно накачивать воду в ирригационные каналы, используя солнечное тепло, подавать горячую воду от солнечного коллектора в дом, перекачивать химические реагенты, поскольку система полностью герметична;
- Производителей бытовых холодильников внедряют модели на «стирлингах». Они будут экономнее, а в качестве хладагента предполагается использоваться обычный воздух;
- Совмещённый Стирлинг с тепловым насосом оптимизирует систему отопления в доме. Он будет отдавать бросовое тепло «холодного» цилиндра, а полученную механическую энергию может использовать для подкачки тепла, которое идет из окружающей среды;
- Сегодня на всех подводных лодках ВМС Швеции установлены двигатели Стирлинга. Они работают на жидком кислороде, который в дальнейшем используется для дыхания. Очень важный фактор для лодки, низкий уровень шума, а недостатки типа: «большой размер», «необходимость охлаждения» – в условиях подводной лодки не существенны. Аналогичными установками оснащены и новейшие японские подводные лодки типа «Сорю»;
- Двигатель Стирлинга используется для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого он монтируется в фокусе параболического зеркала. Компания Stirling Solar Energy строит солнечные коллекторы мощностью до 150 кВт на зеркало. Они используются на крупнейшей в мире солнечной электростанции в южной Калифорнии.
Преимущества и недостатки
Современный уровень проектирования и технологии изготовления позволяют повысить коэффициент полезного действия «Стирлинга» до 70 процентов.
Плюсы:
- Что удивительно, крутящий момент двигателя практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала;
- Силовая установка не содержит системы зажигания, клапанной системы и распредвала.
- На протяжении всего срока эксплуатации не нужны регулировки и настройки.
- Двигатель не «глохнет», а простота конструкции позволяет эксплуатировать его в автономном режиме продолжительное время;
- Можно использовать любые источники тепловой энергии, от дров до уранового топлива.
- Сжигание топлива происходит вне двигателя, что способствует его полному дожиганию и минимизации выбросов токсичных веществ.
Минусы:
- Так как топливо сгорает вне двигателя, то отвод тепла идёт через стенки радиатора, а это дополнительные габариты;
- Материалоемкость. Чтобы сделать Стирлинг-машину компактной и мощной требуются дорогие жаропрочные стали, способные выдерживать высокое рабочее давление и имеющие низкую теплопроводность;
- Нужна специальная смазка, обычная для «Стирлингов» не подходит, так как коксуется при высоких температурах;
- Чтобы получить высокую удельную мощность, рабочее тело в «Стирлингах» применяют водород и гелий.
Водород отличается взрывоопасностью, а при высоких температурах может растворяться в металлах, образуя при этом металлогидриты. Иными словами, происходит разрушение цилиндров двигателя.
А ещё водород и гелий обладают высокой проникающей способностью и легко просачиваются через уплотнения, понижая рабочее давление.
Если вы, познакомившись с нашей статьёй, захотите приобрести устройство — двигатель внешнего сгорания, не бегите в ближайший магазин, такая штука не продаётся, увы…
Сами понимаете, те, кто занимается усовершенствованием и внедрением этой машины, держат свои разработки в секрете и продают их только солидным покупателям.
Но если вы поделитесь ссылкой на статью в социальных сетях, то возможно ваш комментарий прочитают заинтересованные люди и вы сможете пообщаться с единомышленниками на эту тему.
И не забудьте подписаться на наш блог – уверен, вас ждёт много интересного.
Смотрите это видео и делайте своими руками.
Двигатель внешнего сгорания — обзор
13.12 Стандартные энергетические циклы для воздуха
В большинстве современных газовых энергетических циклов используются двигатели внутреннего или внешнего сгорания с разомкнутым контуром. Рабочее тело в этих двигателях имеет очень изменчивые физические и химические свойства, что затрудняет анализ их термодинамического цикла. Поскольку наиболее распространенным химическим компонентом рабочей жидкости дыхательных двигателей является азот, который в значительной степени химически инертен в двигателе, можно разработать эффективную модель двигателя с замкнутым контуром , в которой только воздух считается рабочим. жидкость.Такое приближение к реальной термодинамике двигателя называется стандартным воздушным циклом , сокращенно ASC. ASC позволяет провести простой, но в высшей степени идеализированный термодинамический анализ с замкнутым контуром, который может быть очень сложен в других отношениях. Допущения, воплощенные в анализе ASC двигателя IC или EC, следующие:
- 1.
Двигатель работает по замкнутому термодинамическому циклу, а рабочая жидкость представляет собой фиксированную массу атмосферного воздуха.
- 2.
Этот воздух ведет себя как идеальный газ на протяжении всего цикла.
- 3.
Процесс сгорания в двигателе заменяется простым процессом добавления тепла от внешнего источника тепла.
- 4.
Процессы впуска и выпуска двигателя заменены внешним процессом отвода тепла в окружающую среду.
- 5.
Предполагается, что все процессы в термодинамическом цикле обратимы.
Обратите внимание, что пункт 5 подразумевает, что все процессы в рамках цикла, которые не имеют связанной теплопередачи, также являются изоэнтропическими процессами (т.е. они обратимы и адиабатические). Поскольку численные результаты анализа с использованием ASC зависят от того, как решается проблема удельной теплоемкости идеального газа, анализ ASC далее характеризуется как стандартный цикл холодного воздуха , если удельная теплоемкость воздуха предполагается постоянной и оценивается при комнатной температуре или стандартном цикле горячего воздуха , если предполагается, что удельная теплоемкость воздуха зависит от температуры.Когда делается более сложный анализ, в котором используются фактическая топливно-воздушная смесь и выхлопные газы, его обычно называют стандартным циклом реальной смеси .
Двигатель IC или EC, работающий на ASC, можно схематично представить, как показано на рисунке 13.36. Поскольку фактический рабочий тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания часто сравнивают с его идеальным тепловым КПД ASC, чтобы оценить влияние реальных необратимых факторов на производительность двигателя, анализ ASC служит той же идеализированной функции сравнения эталонных показателей, что и анализ изоэнтропического цикла Ренкина. пароэнергетических циклов.
Рисунок 13.36. Двигатель IC или EC, работающий по стандартному воздушному циклу с замкнутым контуром.
Если рабочим телом в цикле Карно, показанном на рис. 13.37, является воздух (функционирующий как идеальный газ), то у нас будет ASC Карно. Поскольку (по определению) цикл Карно является термодинамически обратимым, используя обозначения рисунка 13.37, с 1 = с 2 и с 3 = с 4 .
Рисунок 13.37.Стандартный цикл воздуха Карно.
Изэнтропические процессы сжатия и расширения идеального газа с постоянной удельной теплотой обсуждаются в главе 7, а соотношение p — v — T для этих процессов дается уравнением. (7.38), из которого видно, что его можно записать непосредственно в терминах отношения температур, степени давления или степени сжатия (объема).
Для процесса изэнтропического расширения с 1 = с 2 = с 2 с ,
T2sT1 = (p2sp1) (k − 1) / k = (v2sv1) 1 − k
Для процесса изоэнтропического сжатия с 3 = с 4 = с 4 с ,
T3T4s = (p3p4s) (k − 1) / k = (v3v4s) 1 − k
, где
T1 = T4s = TH
и
T2s = T3 = TL
Далее мы определяем
v2s / v1 = v3 / v4s = степень изоэнтропического сжатия, CR
и CR
p1 / p2s = p4s / p3 = изоэнтропическое соотношение давлений, PR
Критическое мышление
Когда мы говорим, что двигатель или компрессор изэнтропический , мы имеем в виду, что энтропия на выходе такая же, как энтропия на входе .Но одного этого условия недостаточно, чтобы зафиксировать выходное состояние, поскольку мы должны указать два независимых термодинамических свойства, чтобы зафиксировать состояние. Мы могли бы выбрать фактическое давление на выходе или фактическую температуру на выходе в качестве второго независимого свойства на выходе. Однако на практике мы всегда выбираем фактическое давление на выходе в качестве второго независимого свойства. Почему мы это делаем?
Ответ прост: давление на выходе чаще известно или легко определяется, чем температура на выходе.Например, когда двигатель выходит в атмосферу, давление выхлопных газов всегда равно атмосферному, независимо от давления на входе и процессов, происходящих внутри двигателя. Но температура выхлопных газов всегда зависит от температуры на впуске и сложных процессов, которые происходят между впуском и выпуском внутри двигателя.
Следовательно, изоэнтропическое давление всегда принимается равным фактическому давлению на выходе изоэнтропического процесса , а степень изоэнтропического давления всегда такая же, как степень фактического давления для этих систем.
Уравнение теплового КПД холодного ASC Карно теперь можно записать как
(13,18) (ηT) Carnotcold ASC = 1 − TL / TH = 1 − PR (1 − k) / k = 1 − CR1− k
Большинство паровых энергетических циклов, по крайней мере частично, проходят под паровым куполом и поэтому могут быть смоделированы с помощью единственного практического термодинамического цикла, цикла Ренкина. К сожалению, за пределами парового купола ни один термодинамический цикл не моделирует все возможные практические газовые энергетические циклы. В следующих разделах мы обсудим несколько коммерчески ценных газовых энергетических циклов и оценим их тепловой КПД ASC.Хотя эти циклы не охватывают все возможные циклы, именно они добились значительного экономического успеха на протяжении многих лет. Мы обсуждаем их в том хронологическом порядке, в котором они были разработаны.
Двигатель внешнего сгорания: типы и применение — стенограмма видео и урока
Двигатели внешнего и внутреннего сгорания
Разница между двигателями внешнего и внутреннего сгорания довольно проста и очевидна из-за разницы в их названиях.В двигателе внешнего сгорания топливо не сжигается внутри двигателя. В двигателе внутреннего сгорания камера сгорания находится прямо посередине двигателя.
Внешние двигатели имеют рабочую жидкость, нагреваемую топливом. Двигатели внутреннего сгорания полагаются на взрывную силу топлива в двигателе, чтобы произвести работу. В двигателях внутреннего сгорания взрыв с силой выталкивает поршни или выталкивает горячий газ под высоким давлением из двигателя на больших скоростях.Как движущиеся поршни, так и выбрасываемый с высокой скоростью газ могут выполнять свою работу. В двигателях внешнего сгорания при сгорании нагревается жидкость, которая, в свою очередь, выполняет всю работу.
Двигатели внешнего сгорания Типы
Паровая машина — это один из типов двигателей внешнего сгорания. В паровом двигателе в камере сгорания сжигается такое топливо, как уголь. Это тепло превращает воду в бойлере в пар. По трубам пар подается в турбину, у которой к валу прикреплен ряд лопастей.При прохождении через турбину высокотемпературный пар расширяется, давит на лопасти и заставляет их вращать вал. Вращающийся вал может приводить в действие электрогенератор, приводить в движение гребной винт или выполнять другую полезную работу.
Другая конфигурация включает нагнетание пара высокого давления в камеру с поршнем. Пар давит на поршень, соединенный с коленчатым валом. Коленчатый вал может преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение, которое может вращать колеса или пропеллеры.
Второй тип двигателя внешнего сгорания — это двигатель Стирлинга . Двигатель Стирлинга отличается от парового двигателя тем, что его рабочее тело всегда находится в газовой фазе, в отличие от парового двигателя, который превращает жидкую воду в газообразный пар. Кроме того, двигатель Стирлинга непрерывно рециркулирует свою рабочую жидкость, в то время как паровые двигатели сбрасывают конденсированный пар, как только он проходит через двигатель.
В двигателях Стирлингаработает горячий газ, нагретый внешним источником, через поршни, вращающие коленчатый вал.В сложной конфигурации газ циркулирует между горячим и холодным концом поршневой камеры, расширяясь при нагревании и сжимаясь при охлаждении. Расширенный газ толкает поршень вперед, в то время как сжимающийся газ толкает поршень назад. Тепло, генерируемое при сгорании, используется для производства работы и непрерывного цикла рабочего тела в горячих и холодных циклах.
Использование двигателей внешнего сгорания
Паровые двигатели были первыми изобретенными удачными двигателями, и именно они стали движущей силой промышленной революции.Именно они питали знаменитый паровоз, струйка пара которого вырывалась из трубы. В настоящее время они используются для выработки большого количества электроэнергии в мире. Любая угольная или атомная электростанция приводится в движение паровыми двигателями. Любой, кто когда-либо водил машину на электростанции, видел гигантские белые клубы пара, поднимающиеся из нескольких труб.
Двигатель Стирлинга имеет более ограниченное применение и не так широко распространен, как паровой двигатель. Двигатели Стирлинга используются для выработки электроэнергии в некоторых частях мира.Они также используются на подводных лодках и для отопления жилых домов. Недавно они были объединены с солнечными фермами для выработки электроэнергии.
Резюме урока
Таким образом, двигатель внешнего сгорания классифицируется как таковой, потому что он работает на сгорании топлива, но сгорание происходит в камере, внешней по отношению к двигателю. Таким образом, он отличается от двигателя внутреннего сгорания , поскольку в двигателе внутреннего сгорания сгорание происходит внутри двигателя.
Двигатели внешнего сгорания могут быть паровыми или двигателями Стирлинга. Паровые двигатели превращают жидкую воду в газообразный пар и работают на паровозах и электростанциях, и они очень широко используются. Двигатели Стирлинга отличаются от паровых двигателей тем, что в них рабочая жидкость всегда находится в газовой фазе, ограничены в их использовании. В некоторых частях света они вырабатывают электроэнергию, обогревают дома и подводные лодки.
Основы двигателя внутреннего сгорания| Министерство энергетики
Двигатели внутреннего сгорания обеспечивают исключительную управляемость и долговечность, от них в Соединенных Штатах полагаются более 250 миллионов транспортных средств по шоссе.Наряду с бензином или дизельным топливом они также могут использовать возобновляемые или альтернативные виды топлива (например, природный газ, пропан, биодизель или этанол). Их также можно комбинировать с гибридными электрическими силовыми агрегатами для увеличения экономии топлива или подключаемыми гибридными электрическими системами для расширения ассортимента гибридных электромобилей.
Как работает двигатель внутреннего сгорания?
Горение, также известное как горение, является основным химическим процессом высвобождения энергии из топливно-воздушной смеси. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) воспламенение и сгорание топлива происходит внутри самого двигателя.Затем двигатель частично преобразует энергию сгорания в работу. Двигатель состоит из неподвижного цилиндра и подвижного поршня. Расширяющиеся газы сгорания толкают поршень, который, в свою очередь, вращает коленчатый вал. В конечном счете, это движение приводит в движение колеса автомобиля через систему шестерен трансмиссии.
В настоящее время производятся два типа двигателей внутреннего сгорания: бензиновый двигатель с искровым зажиганием и дизельный двигатель с воспламенением от сжатия. Большинство из них представляют собой четырехтактные двигатели, а это означает, что для завершения цикла требуется четыре хода поршня.Цикл включает четыре различных процесса: впуск, сжатие, сгорание, рабочий ход и выпуск.
Бензиновые двигатели с искровым зажиганием и дизельные двигатели с воспламенением от сжатия различаются по способу подачи и воспламенения топлива. В двигателе с искровым зажиганием топливо смешивается с воздухом, а затем вводится в цилиндр во время процесса впуска. После того, как поршень сжимает топливно-воздушную смесь, искра воспламеняет ее, вызывая возгорание. Расширение дымовых газов толкает поршень во время рабочего хода.В дизельном двигателе только воздух всасывается в двигатель, а затем сжимается. Затем дизельные двигатели распыляют топливо в горячий сжатый воздух с подходящей дозированной скоростью, вызывая его возгорание.
Улучшение двигателей внутреннего сгорания
За последние 30 лет исследования и разработки помогли производителям снизить выбросы ДВС таких загрязнителей, как оксиды азота (NOx) и твердые частицы (PM), более чем на 99%, чтобы соответствовать стандартам выбросов EPA. . Исследования также привели к улучшению характеристик ДВС (мощность в лошадиных силах и время разгона 0-60 миль в час) и эффективности, помогая производителям поддерживать или увеличивать экономию топлива.
Узнайте больше о наших передовых исследованиях и разработках двигателей внутреннего сгорания, направленных на повышение энергоэффективности двигателей внутреннего сгорания с минимальными выбросами.
[PDF] 4.5 ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ
1 ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ Разница между двигателями внутреннего и внешнего сгорания, как следует из их названия, заключается в …
1874,5
ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ
Разница между двигателями внутреннего и внешнего сгорания, как следует из их названия, заключается в том, что первые сжигают свое топливо внутри силового цилиндра, а вторые используют свое топливо для нагрева газа или пара через стенки внешней камеры, и нагретый газ или пар затем передается в силовой цилиндр.Поэтому для двигателей внешнего сгорания требуется теплообменник или бойлер для приема тепла, и, поскольку их топливо сжигается снаружи в устойчивых условиях, они в принципе могут использовать любое топливо, которое может гореть, включая сельскохозяйственные остатки или отходы. двигатели внешнего сгорания; паровые машины, которые используют расширяющийся пар (или иногда другой пар) для приведения в действие механизма; или двигатели Стирлинга, в которых используется горячий воздух (или другой горячий газ). Использование обеих технологий достигло своего апогея примерно в 1900 году и с тех пор практически исчезло.Однако краткое описание имеет смысл, поскольку: i. II. iii.
они успешно и широко использовались в прошлом для перекачки воды; оба они обладают тем достоинством, что хорошо подходят для использования недорогих видов топлива, таких как уголь, торф и биомасса; предпринимаются попытки обновить и возродить их.
, и поэтому они могут снова появиться в качестве жизнеспособных опционов в более долгосрочном будущем. Основной недостаток Э. Двигатели заключается в том, что большая площадь теплообменника необходима для передачи тепла в рабочий цилиндр (цилиндры), а также для отвода тепла в конце цикла.В результате e.c. двигатели обычно громоздки и дороги в изготовлении по сравнению с i.c. двигатели. Кроме того, поскольку они, как правило, больше не производятся, они не пользуются экономией массового производства, доступной, например, двигателям. Они также не запустятся так быстро и удобно, как i.c. двигатель; потому что нужно время, чтобы зажечь огонь и нагреть машину до рабочей температуры. Из-за их относительно плохого отношения мощности к весу, а также худшего отношения энергии к весу твердого топлива, виды применений, в которых паровые двигатели или двигатели Стирлинга, наиболее вероятно, будут приемлемыми, относятся к статическим приложениям, таким как перекачивание оросительной воды в районах, где нефть топливо не всегда доступно, но дешевое твердое топливо доступно.С положительной стороны, e.c. двигатели имеют преимущество в том, что они могут быть намного более долговечными, чем i.c. двигатели (100-летние паровозы относительно легко содержать в рабочем состоянии, но двигатели ic редко используются более 20 лет или около того. Двигатели Ec также значительно тише и не подвержены вибрации, чем двигатели ic. навыки, необходимые для обслуживания, также могут быть ниже, хотя количество затрачиваемого времени будет больше, особенно из-за необходимости очистки печи.Современные инженерные технологии обещают, что любые будущие паровые двигатели или двигатели Стирлинга смогут извлечь выгоду из функций, недоступных более 60 лет назад, когда они последний раз использовались повсеместно. Продукты, включающие эти новые разработки, еще не представлены на рынке, но исследования и разработки проводятся в различных странах в ограниченном масштабе; однако, вероятно, пройдет несколько лет, прежде чем новое поколение многотопливных насосов Стирлинга или паровых насосов станет общедоступным.
188 4.5.1 Паровые двигатели В настоящее время коммерчески доступно лишь ограниченное количество небольших паровых двигателей; большинство из них предназначены для общего пользования или для привода небольших прогулочных судов.Серьезная попытка разработать паровой двигатель мощностью 2 кВт для использования в отдаленных районах была предпринята конструкторами двигателей Рикардосом в Великобритании в 1950-х годах (см. Рис. 157). Эта разработка, возможно, была преждевременной и провалилась, но в настоящее время наблюдается возрождение интереса к разработке источников энергии, которые могут работать на топливе на основе биомассы (как более подробно обсуждается в Разделе 4.10). Однако небольшие паровые двигатели всегда страдали от необходимости соответствовать довольно строгим требованиям безопасности, чтобы избежать несчастных случаев из-за взрыва котла, и в большинстве стран есть правила, требующие сертификации котлов паровых двигателей, что является серьезным, но необходимым сдерживающим фактором.Принцип работы паровой машины проиллюстрирован на рис. 102. Топливо сжигается в топке, а горячие газы обычно проходят через трубы, окруженные водой (жаротрубные котлы). Пар создается под давлением; обычно от 5 до 10 атмосфер (или от 5 до 10 бар). Предусмотрен предохранительный клапан для выпуска пара, когда давление становится слишком высоким, чтобы избежать риска взрыва. Пар высокого давления попадает в силовой цилиндр через клапан, где он расширяется относительно движущегося поршня, выполняя работу, в то время как его давление падает.Впускной клапан закрывается в определенный момент, но пар обычно продолжает расширяться до тех пор, пока давление не приблизится к атмосферному, когда выпускной клапан открывается, чтобы позволить поршню вытолкнуть охлажденный и расширенный пар наружу, чтобы освободить место для нового впуска с высоким давлением. пар. Клапаны связаны с приводным механизмом, чтобы автоматически открываться или закрываться в нужный момент. Период открытия впускного клапана может регулироваться оператором для изменения скорости и мощности двигателя.
189
Рис.102 Схема конденсационного парового двигателя В самых простых типах двигателей пар выпускается в атмосферу. Однако это расходует энергию, потому что за счет охлаждения и конденсации отработанного пара давление может быть снижено до полувакуума, что позволяет извлечь больше энергии из заданного расхода пара и, таким образом, значительно повысить эффективность. Когда конденсатор не используется, например, в паровозах, струя отработанного пара используется для создания хорошей тяги для печи за счет втягивания горячих газов вверх по обязательно короткой дымовой трубе.Конденсирующие паровые машины, с другой стороны, нуждаются либо в высокой трубе для создания тяги за счет естественной конвекции, либо в вентиляторах или нагнетателях. Паровые насосы могут легко включать конденсатор, поскольку перекачиваемая вода может служить для охлаждения конденсатора. Согласно Миду [13] (и другим), типичный выигрыш в общей эффективности от использования конденсатора может превышать 30% дополнительной мощности на единицу используемого топлива. Конденсированный пар собирается в виде воды на дне конденсатора и затем перекачивается под давлением, достаточным для закачки его обратно в котел с помощью небольшого насоса подачи воды, который обычно приводится в действие от двигателя.Еще одно важное преимущество конденсационного парового двигателя состоит в том, что рециркуляция той же воды снижает проблемы образования накипи и коррозии, которые обычно возникают при использовании непрерывной подачи пресной воды. Подача чистой и не содержащей минералов воды обычно необходима для паровых двигателей без конденсации для продления срока службы котла. Самая простая паровая машина имеет КПД около 5% (энергия пара превращается в энергию механического вала — КПД печи и котла, вероятно, должен составлять от 30 до 60%, чтобы получить общий КПД в качестве первичного двигателя в 1.От 5 до 3% диапазона). Эффективность более сложных двигателей составляет около 10%, а у самых лучших — 15%. Когда КПД котла и печи (30-60%) плюс насос (40-80%) и трубопровод (40-90%) сложены, мы получаем КПД системы для насосов с паровым поршневым двигателем в диапазоне от 0,5 до 4,5%, что хуже, но не намного хуже, чем для маленьких си насосные системы двигателей внутреннего сгорания, но позволяют использовать не нефтяное топливо и обеспечивают большую долговечность.
4.5.2 Двигатели Стирлинга Этот тип двигателя был первоначально разработан Rev.Роберт Стирлинг в 1816 году. Десятки тысяч маленьких двигателей Стирлинга использовались в конце девятнадцатого и начале двадцатого века, главным образом в США, но также и в Европе. Они применялись для всех видов малой энергетики, в том числе для перекачки воды. В Северной Америке они особенно видели службу на «новых рубежах»; которая в то время страдала от всех проблем развивающейся страны с точки зрения нехватки энергоресурсов и т. д. Электрификация сельских районов и рост популярности небольших бензиновых двигателей в течение и после 1920-х годов обогнали двигатель Стирлинга, но присущие им многотопливные возможности надежность и долговечность делают их привлекательной концепцией для повторной разработки для использования в отдаленных районах в будущем, и с этой целью инициируются определенные проекты.Различные типы поршневых водяных насосов Стирлинга прямого действия были разработаны с 1970-х годов компаниями Beale и Sunpower Inc. в США, и некоторые ограниченные разработки новых двигателей, например, компанией IT Power в Великобритании при финансовой поддержке GTZ в Западной Германии, продолжаются. .
191
Рис. 103 Двигатель Rider-Ericsson с нагнетанием горячего воздуха (цикл Стирлинга) около 1900 г. В двигателях Стирлинга используются изменения давления, вызванные поочередным нагревом и охлаждением замкнутой массы воздуха (или другого газа). Двигатель Стирлинга потенциально может быть более эффективным, чем паровой двигатель, а также позволяет избежать взрыва котла и опасности образования накипи паровых двигателей.Важным признаком является то, что двигатель Стирлинга почти уникален в качестве теплового двигателя в том смысле, что его можно заставить достаточно хорошо работать на дробных значениях мощности, когда оба i.c. двигатели и паровые машины относительно неэффективны. Это, конечно, делает его потенциальным интересом для мелкомасштабного орошения, хотя в настоящее время он не является коммерчески доступным вариантом. Строгое объяснение цикла Стирлинга — сложная задача. Но, говоря простыми словами, вытеснитель используется для перемещения закрытого источника воздуха из горячей камеры в холодную через регенератор.Когда большая часть воздуха находится в горячем конце замкнутой системы, внутреннее давление
192 будет высоким, и газу позволено расшириться за счет силового поршня, и наоборот, когда вытеснитель перемещает воздух к холодному концу, давление падает, и силовой поршень возвращается. Газ движется от горячего конца к холодному через регенератор, который имеет высокую теплоемкость в сочетании с большой площадью поверхности, так что горячий воздух, забираемый из силового цилиндра, постепенно охлаждается на своем пути через регенератор, отказываясь его жар в процессе; затем, когда холодный воздух возвращается в силовой цилиндр, готовый к следующему рабочему такту, тепло возвращается от матрицы регенератора для предварительного нагрева воздуха до того, как он достигнет силового цилиндра.Регенератор жизненно важен для достижения хорошего КПД двигателя Стирлинга. Он часто состоит из массы металлической сетки, через которую может легко проходить воздух [33], [34]. Некоторое представление о механике «небольшого двигателя Стирлинга» можно получить из рис. 103, на котором показан двигатель Rider-Ericsson 1900 года выпуска. Цилиндр буйка своим нижним концом выступает в небольшую печь. Когда вытеснитель опускается, он выталкивает весь воздух через регенератор в охлаждаемый водой объем рядом с силовым цилиндром, и давление в системе падает, затем, когда вытеснитель поднимается и втягивает воздух обратно в горячее пространство, давление повышается и используется для толкайте силовой поршень вверх на рабочем ходе.Поплавок приводится в движение приводным валом и отклоняется на 90 ° по фазе с силовым поршнем. Представление о потенциальной ценности таких двигателей может быть получено из отчетов об их характеристиках; например, двигатель Rider-Ericsson мощностью в половину лошадиных сил может поднимать 2,7 м3 / ч воды на 20 м; он работал со скоростью около 140 об / мин (только) и потреблял около 2 кг коксового топлива в час. Все, что требовалось для его поддержания, — это время от времени разжигать огонь, как в домашней печи, и капать масло на подшипники скольжения каждый час или около того.
4,6
ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ
Если имеется надежное подключение к электросети, нет ничего более удобного или более экономичного для питания ирригационного насоса. К сожалению, у большинства фермеров в развивающихся странах нет под рукой электросети, и даже те, которые ее действительно имеют, часто обнаруживают, что ее электроснабжение ненадежно. Проблемы с электроснабжением, как правило, особенно распространены во время сезона орошения, потому что откачка для орошения, как правило, практикуется одновременно всеми фермерами в определенном районе и, следовательно, может легко перегрузить не отвечающую требованиям сельскую сеть и вызвать «отключение» (снижение напряжения) или даже «отключение электроэнергии» «(полное отключение электроэнергии).Таким образом, для многих электроэнергетических компаний существует серьезное препятствие в поощрении любого дальнейшего использования электроэнергии для орошения насосами в развивающихся странах, где электроснабжение уже находится под напряжением. Реальные затраты на расширение сети очень высоки, обычно порядка 5 000-10 000 долларов США за километр ответвления. Хотя в прошлом соединения во многих странах субсидировались, независимо от ценовой политики коммунального предприятия, кто-то должен за это платить, и сегодня наблюдается тенденция к отмене субсидий.Следовательно, хотя электродвигатель, рассматриваемый отдельно, является чрезвычайно недорогим и удобным первичным двигателем, он полезен только при подключении к большому количеству капиталоемкой инфраструктуры, которая должна нести значительную электрическую нагрузку для самофинансирования за счет доходов. . Еще одна проблема для развивающихся стран при рассмотрении варианта подключения к электросети — высокая валютная составляющая инвестиций; обычно это 50-80%, по данным Флюитмана [35] (со ссылкой на источник Всемирного банка).Производство электроэнергии в сельских районах
193 районов развивающихся стран, как правило, осуществляется за счет электростанций, работающих на нефтяном топливе (обычно дизельных генераторов), поэтому это также является бременем для экономики. Фактически значительная часть импорта нефти во многие развивающиеся страны идет на производство электроэнергии. Таким образом, привлекательность электрификации сельских районов как инвестиции в развитие сейчас ставится под гораздо большее сомнение, чем это было раньше; (например, [35]). Однако здесь не предлагается рассматривать политические последствия или макроэкономические последствия широкого использования электричества для орошения насосами, кроме как указать, что это не может рассматриваться как универсальное решение для удовлетворения мировых потребностей в орошении, поскольку большинство страны не смогут позволить себе в обозримом будущем расширить сеть на все свои сельские районы.Даже если такая возможность может быть предоставлена, все равно необходимо сомневаться в том, является ли она наиболее экономически эффективным решением для орошения насосами, принимая во внимание высокие затраты на инфраструктуру.
4.6.1 Источники и типы электричества Батареи производят постоянный поток электричества, известный как «постоянный ток» или DC. Фотоэлектрические (солнечные) элементы также производят постоянный ток. Электрические генераторы для производства постоянного тока иногда называют «динамо-машинами»; для них требуются коммутаторы, состоящие из вращающихся латунных сегментов с неподвижными угольными щетками.Генераторы переменного тока сегодня почти повсеместно используются для выработки электроэнергии на валу. Генераторы более простые и менее дорогие, чем генераторы постоянного тока, но они вырабатывают напряжение, которое полностью меняет направление несколько раз за оборот. Этот тип электрического выхода, который почти повсеместно используется для электроснабжения, известен как «переменный ток» или AC. Напряжение сети переменного тока обычно колеблется от полностью положительного до полностью отрицательного и обратно 50 раз в секунду (50 Гц или 50 циклов в секунду) или, в некоторых случаях, 60 Гц.Точно так же колеблется ток. Иногда ток и напряжение могут «не совпадать», т.е. их пики не совпадают. Это расхождение (или разность фаз) количественно выражается «коэффициентом мощности»; Выходная мощность системы переменного тока является произведением ампер, вольт и коэффициента мощности. Когда амперы и вольт находятся в идеальной фазе друг с другом, коэффициент мощности численно равен 1. Когда коэффициент мощности меньше единицы (часто он составляет 0,9, а иногда и меньше), доступная мощность уменьшается пропорционально для данного номинального значения системы.Поэтому мощность оборудования переменного тока обычно указывается не в ваттах или киловаттах (кВт), а в вольт-амперах или киловольт-амперах (кВА). Таким образом, фактическая мощность в кВт будет равна номинальной мощности в кВА, умноженной на коэффициент мощности. Еще один важный принцип, о котором следует помнить, заключается в том, что гораздо экономичнее передавать электричество на любое расстояние при высоком напряжении, а не при низком. Для заданной эффективности передачи необходимо меньшее поперечное сечение проводника. Это аналогично передаче воды, где более высокое давление и меньший расход позволяют использовать трубы меньшего диаметра для равной гидравлической мощности.Однако электричество потенциально опасно для жизни при переменном напряжении, намного превышающем 240 В, и при постоянном напряжении, намного превышающем 100 В (конечно, оно может убить при значительно более низких напряжениях в зависимости от обстоятельств и состояния здоровья жертвы), и изоляция становится более сложной. Следовательно, по соображениям безопасности 240 В переменного тока или около 110 В постоянного тока обычно являются максимальным напряжением, используемым в источниках питания конечных пользователей и для электроприборов. Причина, по которой переменный ток обычно используется для сетевых приложений, а не постоянного тока, заключается в том, что он имеет ряд важных преимуществ:
194 a.Генераторы и двигатели переменного тока намного проще, дешевле и менее хлопотны, поскольку не требуют коммутаторов; б. Напряжения переменного тока можно эффективно и с высокой степенью надежности изменять с помощью трансформаторов, но с технической точки зрения изменение напряжения постоянного тока является гораздо более сложной проблемой; поэтому переменный ток можно легко эффективно передавать при высоких напряжениях, а затем преобразовывать в более низкие и безопасные напряжения вблизи точки использования; c. Благодаря преимуществам переменного тока, он стал всемирно используемым стандартом для источников питания от сети, и практически все серийно выпускаемые электрические устройства рассчитаны на использование переменного тока.Иногда необходимо преобразовать переменный ток в постоянный или наоборот, например, для зарядки аккумуляторов (которые являются постоянным током) от сети переменного тока или для работы устройства переменного тока, предназначенного для питания от источника постоянного тока, такого как батарея или солнечная фотоэлектрическая батарея. множество. Переменный ток можно легко преобразовать в постоянный ток с помощью выпрямителя; они (как и трансформаторы) представляют собой твердотельные устройства, которые не требуют обслуживания и относительно эффективны. Зарядное устройство для аккумуляторов обычно состоит из трансформатора (для понижения напряжения сети до напряжения аккумулятора) и выпрямителя для преобразования переменного тока низкого напряжения в постоянный.Преобразование постоянного тока в переменный сложнее; традиционно использовалось неэффективное электромеханическое устройство, называемое вращающимся преобразователем; это двигатель постоянного тока, напрямую соединенный с генератором переменного тока. Современная альтернатива — электронное твердотельное устройство, называемое инвертором. Инверторы относительно недороги для приложений с низким энергопотреблением (например, для питания небольших люминесцентных ламп от батарей низкого напряжения), но они становятся дорогими для таких приложений с более высокой мощностью, как электродвигатели для накачки.Качество и цена инверторов также сильно различаются; если необходим качественный выход переменного тока (и высокая эффективность преобразования), необходимо более сложное и дорогое устройство. Дешевые инверторы часто производят грубый выход переменного тока и относительно неэффективны; они также могут серьезно мешать приему радио и телевидения в непосредственной близости.
4.6.2
Питание от сети переменного тока
Электроэнергия от сети обычно подается как переменный ток (AC) с частотой от 220 до 240 В и частотой 50 Гц или с частотой 110 В и 60 Гц для соединений с низким энергопотреблением (включая бытовые) до около 10кВт.Стандарт 220-240 В 50 Гц является нормальным в Европе, тогда как стандарт 110 В 60 Гц используется в США; любой из них может использоваться в других частях мира, хотя 220–240 В более распространены, особенно в Азии и Африке. Когда переменный ток подается по двум проводам, он называется однофазным. Два провода не являются «положительными» и «отрицательными», но являются «живыми» и «нейтральными»; в целях безопасности всегда должен быть включен третий провод — «земля» или «земля». Последний обычно подключается к корпусу любого устройства или двигателя, так что если какая-либо внутренняя неисправность приводит к контакту корпуса с источником питания, ток утечки будет течь на землю (землю) и отключать систему или перегорать предохранитель. .Поэтому, если электрический насос продолжает отключаться или перегорать предохранители, его также необходимо проверить на предмет короткого замыкания. Электроэнергия обычно вырабатывается как «трехфазная», в которой генератор переменного тока передает три «однофазных» выхода переменного тока по трем проводам. Каждая фаза сдвигается на одну треть оборота генератора переменного тока, поэтому пики напряжения в трех проводниках не совпадают, а равномерно разнесены. Три фазы, если они сбалансированы одинаково, будут компенсировать друг друга, если питаться от трех равных нагрузок, но на практике они обычно не сбалансированы идеально, поэтому обычно имеется четвертый обратный провод, называемый нейтралью.Однофазный источник питания переменного тока — это просто подключение к одному из трех «жизней» трехфазного источника с возвратом к его нейтрали. По этой причине во многих случаях важно не путать живое и нейтральное; также это ток, который должен быть защищен плавкими предохранителями или автоматическими выключателями. При более высоких уровнях мощности, обычно выше 5 кВт и всегда выше примерно 25 кВт, нормально использовать трехфазный переменный ток. Поставляется в основном с межфазным напряжением 415 В (Европа) или 190 или 440 В (США).
4.6.3
Электродвигатели
Электродвигатель кажется почти идеальным первичным двигателем для водяного насоса.Электроэнергия подается «одним щелчком переключателя», и вода производится с постоянной скоростью, пока двигатель не будет выключен. Электродвигатели имеют относительно длительный срок службы и, как правило, практически не требуют обслуживания. Самым дешевым и простым типом электродвигателя является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который почти повсеместно используется в электрических сетях; см. Рис. 104 (a) и Рис. 105. Здесь нет электрических соединений с вращающейся «беличьей клеткой», поэтому нет щеток или контактных колец, которые нужно было изнашивать или регулировать.Двигатели этого типа доступны в трехфазном или однофазном исполнении. Они работают с фиксированной скоростью в зависимости от частоты источника питания и количества полюсов в их обмотках статора. Самый общий тип (который обычно самый дешевый) работает с номинальной скоростью 1500 об / мин при 50 Гц (1800 при 60 Гц), но доступны и другие скорости. По возможности, двигатель напрямую соединяется с центробежным насосом (например, Рис. 105). Двигатели с нестандартной скоростью вращения могут использоваться там, где это не подходит для насоса, или, в качестве альтернативы, может использоваться механизм понижения скорости ленты, такой как на Рис.106. Проблема с асинхронными двигателями заключается в том, что им для запуска обычно требуется в три раза больше тока, чем при работе с номинальной скоростью и мощностью. Это означает, что максимальный ток, который может подаваться, должен быть значительно выше, чем необходимый для работы, что часто вызывает не только технические, но и финансовые проблемы, поскольку некоторые тарифы на электроэнергию определяются максимальным номинальным током в цепи. Недавно стали доступны электронные пусковые устройства, которые ограничивают пусковой ток, пока двигатель набирает скорость, и которые в некоторых случаях также улучшают общий КПД электродвигателя.
196
Рис.104 Четыре основных типа электродвигателей
Рис.105 Электродвигатель с прямым подключением и центробежный насос
197
Рис.106 Поршневой насос с ременным приводом (Climax) с приводом от электродвигателя (обратите внимание на воздушные камеры для предотвращения гидроудара) Асинхронные двигатели обычно имеют КПД 75% для мощности 300 Вт (0,5 л.с.) и могут иметь КПД около 85% при мощности 10 кВт (при условии, что коэффициент мощности равен единице). Обычно они не производятся в размерах, значительно меньших, чем 100-200 Вт.Для очень малых масштабов чаще всего используется так называемый «универсальный двигатель». Универсальный двигатель (рис. 104 (б)) — это «классический» электродвигатель с щеточным коллектором и намотанным якорем. Катушки с фиксированным полем создают магнитный поток для запуска двигателя. Двигатели этого типа могут использовать источник переменного или постоянного тока, и они обычно используются для очень небольших энергетических приложений (например, в электроинструментах и бытовых приборах). Они более эффективны, чем это было бы возможно с очень маленьким асинхронным двигателем, а их пусковой ток меньше по сравнению с их рабочим током.Однако они страдают от необходимости периодической замены щеток при интенсивном использовании, например, при перекачке. Существуют мелкомасштабные системы электроснабжения, не зависящие от электросети, в которых используется источник постоянного тока, такой как фотоэлектрическая батарея, или батареи, заряжаемые от ветрогенератора. В этих приложениях двигатель постоянного тока с постоянными магнитами является наиболее эффективным вариантом (рис. 104 (c)). В них постоянные магниты заменяют катушки возбуждения; это обеспечивает более высокий КПД, особенно при частичной нагрузке, когда обмотки возбуждения поглощают значительную часть потребляемой мощности.Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами могут иметь КПД 75-85% даже при таких низких номинальных мощностях, как 100-200 Вт, необходимых для самых маленьких солнечных насосных систем. Большинство двигателей с постоянными магнитами имеют щеточные / коммутируемые якоря точно так же, как универсальный двигатель, что в контексте перекачивания является серьезным недостатком, особенно для погружных герметичных двигателей. Однако недавно стали доступны бесщеточные двигатели с постоянными магнитами (рис. 104 (d)). Здесь магниты прикреплены к ротору, а на обмотки статора подается коммутируемый переменный ток с переменной частотой, соответствующей скорости вращения; это делается путем отправки сигнала от датчика положения ротора, который измеряет скорость и положение вала и управляет электронной схемой, которая выполняет функцию коммутации на источнике постоянного тока.Двигатели такого типа механически не уступают асинхронным двигателям и при необходимости могут быть герметизированы на весь срок службы погружным насосом, но они по-прежнему производятся в ограниченном количестве и включают сложный электронный коммутатор, что делает их относительно дорогими во время эксплуатации. пишу. С увеличением использования солнечных насосов они, вероятно, получат более широкое распространение, и их цена может упасть. Двигатели с погружными насосами, будь то асинхронные двигатели переменного тока или бесщеточные двигатели с постоянными магнитами постоянного тока, обычно заполняются (чистой и защищенной от коррозии) водой, поскольку это уравновешивает давление на уплотнения и упрощает предотвращение попадания воды из скважины, чем если бы двигатель содержал только воздух при атмосферном давлении.Очевидно, что заполнение двигателей водой возможно только с бесщеточными двигателями, в противном случае может произойти короткое замыкание. Еще одно преимущество двигателей, заполненных водой, заключается в том, что они лучше защищены от перегрева.
4.6.4 Электробезопасность Электрическое напряжение переменного тока более 110 В и постоянного тока более 80 В потенциально опасно для жизни, особенно если контакт усиливается из-за присутствия воды. Следовательно, электричество и воду необходимо сочетать с осторожностью, и любой, кто использует электричество для перекачивания ирригационных насосов, должен обеспечить наличие всех необходимых средств защиты; я.е. эффективные расцепители или предохранители, а также подходящие бронированные кабели, заземленные и брызгозащищенные кожухи и т. д. Также все основные компоненты, двигатель, насос и опорная конструкция должны быть надлежащим образом заземлены (или заземлены) со всеми заземляющими соединениями, электрически связанными друг с другом. Крайне важно, чтобы электромонтажные работы выполнялись либо обученными электриками, либо, если это выполняет фермер, он должен провести его осмотр и проверку квалифицированным лицом, прежде чем пытаться его использовать; (в некоторых странах это в любом случае требование закона).Также целесообразно заранее знать, какие действия следует предпринять для лечения поражения электрическим током; большинство электроэнергетических компаний могут предоставить плакаты или уведомления с подробным описанием мер предосторожности и рекомендациями по лечению в случае возникновения такого неблагоприятного события.
Преобразование энергии | технология | Britannica
Энергия обычно и наиболее просто определяется как эквивалент или способность выполнять работу. Само слово происходит от греческого energeia: en , «в»; ergon , «рабочий».«Энергия может быть связана с материальным телом, как спиральная пружина или движущийся объект, или она может быть независимой от материи, как свет и другое электромагнитное излучение, пересекающее вакуум. Энергия в системе может быть доступна для использования только частично. Измерения энергии — это измерения работы, которые в классической механике формально определяются как произведение массы ( м ) и квадрата отношения длины ( l ) ко времени ( t ): мл 2 / т 2 .Это означает, что чем больше масса или расстояние, на которое он перемещается, или чем меньше времени требуется для перемещения массы, тем больше будет проделанная работа или больше затраченной энергии.
Развитие концепции энергии
Термин энергия не применялся как мера способности выполнять работу до довольно позднего периода развития науки механики. Действительно, развитие классической механики может осуществляться без обращения к концепции энергии.Однако идея энергии восходит к Галилею 17 века. Он признал, что, когда груз поднимается с помощью системы шкивов, прилагаемая сила, умноженная на расстояние, через которое эта сила должна быть приложена (произведение, называемое по определению работой), остается постоянной, даже если любой из этих факторов может меняться. Концепция vis viva, или живой силы, величины, прямо пропорциональной произведению массы и квадрата скорости, была введена в 17 веке. В 19 веке термин «энергия» применялся к концепции vis viva.
Первый закон движения Исаака Ньютона признает, что сила связана с ускорением массы. Почти неизбежно, что тогда интерес представляет интегральный эффект силы, действующей на массу. Конечно, есть два вида интеграла силы, действующей на массу, которые можно определить. Один — это интеграл силы, действующей вдоль линии действия силы, или пространственный интеграл силы; другой — интеграл силы за время ее действия на массу или временной интеграл.
Оценка пространственного интеграла приводит к величине, которая теперь используется для представления изменения кинетической энергии массы в результате действия силы и составляет лишь половину от vis viva. С другой стороны, временное интегрирование приводит к оценке изменения количества движения массы в результате действия силы. Некоторое время велись споры о том, какая интеграция привела к надлежащей мере силы, немецкий философ-ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц приводил доводы в пользу пространственного интеграла как единственной истинной меры, в то время как ранее французский философ и математик Рене Декарт защищал временную шкалу. интеграл.В конце концов, в XVIII веке физик Жан Д’Аламбер из Франции показал правомерность обоих подходов к измерению силы, действующей на массу, и что полемика велась только по номенклатуре.
Итак, сила связана с ускорением массы; кинетическая энергия или энергия, возникающая в результате движения, является результатом пространственной интеграции силы, действующей на массу; импульс — это результат интегрирования во времени силы, действующей на массу; а энергия — это мера способности выполнять работу.Можно добавить, что мощность определяется как скорость передачи энергии (к массе, когда на нее действует сила, или по линиям передачи от электрического генератора к потребителю).
Сохранение энергии (см. Ниже) было независимо признано многими учеными в первой половине XIX века. Сохранение энергии как кинетической, потенциальной и упругой энергии в замкнутой системе в предположении отсутствия трения оказалось действенным и полезным инструментом.Кроме того, при более внимательном рассмотрении обнаруживается, что трение, которое служит ограничением для классической механики, выражается в выделении тепла, будь то на контактных поверхностях блока, скользящего по плоскости, или в объеме жидкости, в которой весло вращается или любое другое выражение «трения». Тепло было определено как форма энергии Германом фон Гельмгольцем из Германии и Джеймсом Прескоттом Джоулем из Англии в 1840-х годах. Джоуль также экспериментально доказал связь между механической и тепловой энергией в это время.Поскольку возникла необходимость в более подробном описании различных процессов в природе, подход заключался в поиске рациональных теорий или моделей процессов, которые позволяют количественно измерить изменение энергии в процессе, а затем включить его и соответствующий ему энергетический баланс в систему. представляет интерес, при условии общей потребности в сохранении энергии. Этот подход работал для химической энергии в молекулах топлива и окислителя, высвобождающейся при их сгорании в двигателе, для производства тепловой энергии, которая впоследствии преобразуется в механическую энергию для работы машины; он также работал над преобразованием ядерной массы в энергию в процессах ядерного синтеза и ядерного деления.
Основные сведения о двигателе
Основные сведения о двигателеХанну Яэскеляйнен, Магди К. Хаир
Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.
Аннотация : Поршневые двигатели внутреннего сгорания — подкласс тепловых двигателей — могут работать в четырех- и двухтактных циклах. В каждом случае двигатель может быть оборудован системой сгорания с искровым зажиганием (SI) или с воспламенением от сжатия (CI).Возможен ряд других классификаций двигателей, основанных на мобильности двигателя, применении, топливе, конфигурации и других параметрах конструкции. Теоретически процесс сгорания можно смоделировать, применяя законы сохранения массы и энергии к процессам в цилиндре двигателя. Основные параметры конструкции и рабочих характеристик двигателей внутреннего сгорания включают степень сжатия, рабочий объем, зазор, выходную мощность, указанную мощность, термический КПД, указанное среднее эффективное давление, среднее эффективное давление при торможении, удельный расход топлива и многое другое.
Тепловые двигатели
Определение и классификация
Тепловые двигатели — это машины преобразования энергии — они преобразуют химическую энергию топлива в работу, сжигая топливо в воздухе для производства тепла. Это тепло используется для повышения температуры и давления рабочего тела, которое затем используется для выполнения полезной работы. Тепловые двигатели можно классифицировать как:
- Двигатели внутреннего сгорания, или
- Двигатели внешнего сгорания.
Их также можно разделить на возвратно-поступательные и вращательные.В поршневых двигателях рабочая жидкость используется для линейного перемещения поршня. Затем поступательное движение обычно преобразуется во вращательное с помощью кривошипно-скользящего механизма (шатун / коленчатый вал). В роторном двигателе рабочая жидкость вращает ротор, соединенный с выходным валом.
Двигатели внутреннего сгорания
В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) рабочее тело состоит из воздуха, топливовоздушной смеси или продуктов сгорания самой топливно-воздушной смеси.Поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением являются, пожалуй, наиболее распространенной формой известных двигателей внутреннего сгорания. Они приводят в движение автомобили, грузовики, поезда и большинство морских судов. Они также используются во многих небольших служебных приложениях. Они могут работать на жидком топливе, таком как бензин и дизельное топливо, или на газообразном топливе, таком как природный газ и сжиженный нефтяной газ. Двумя общими подкатегориями поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением являются двухтактный и четырехтактный . Примеры роторных двигателей внутреннего сгорания включают роторный двигатель Ванкеля и газовую турбину.
Общие цели при проектировании и разработке всех тепловых двигателей включают: максимизацию работы (выходную мощность), минимизацию потребления энергии и уменьшение загрязняющих веществ, которые могут образовываться в процессе преобразования химической энергии в работу. На рисунке 1 показаны основные узлы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Конструкция магистрального двигателя является наиболее распространенной, хотя термин «магистральный двигатель» редко используется за пределами отрасли крупных двигателей. Конструкция крейцкопфа в настоящее время используется только в больших тихоходных двухтактных двигателях.Впускные и выпускные клапаны опущены для простоты, однако стоит отметить, что в некоторых конструкциях двухтактных двигателей используются впускные и выпускные отверстия, а не клапаны.
Рисунок 1 . Основные узлы поршневых (а) и крейцкопфных (б) двигателейКак двух-, так и четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания может быть оборудован системой сгорания с искровым зажиганием (SI) или с воспламенением от сжатия (CI).
Обычно системы с искровым зажиганием характеризуются предварительно смешанным зарядом (т.е.е., топливо и воздух смешиваются перед зажиганием) и внешний источник зажигания, такой как свеча зажигания. Предварительное смешивание может происходить во впускном коллекторе или в цилиндре. Хотя предварительно смешанный заряд имеет относительно однородное пространственное распределение воздуха и топлива в большинстве случаев, это распределение также может быть неоднородным. Возгорание инициируется искрой, и пламя распространяется наружу вдоль фронта от места искры. Сгорание в двигателях SI считается кинетическим, потому что вся смесь воспламеняется, а скорость сгорания определяется тем, насколько быстро химическая реакция может поглотить эту смесь, начиная с источника воспламенения.
Обычные дизельные двигатели характеризуются впрыском топлива непосредственно в цилиндр примерно в то время, когда требуется зажигание. В результате заправка воздуха и топлива в этих двигателях очень неоднородна: одни регионы являются чрезмерно богатыми, а другие — обедненными. Между этими крайностями смесь топлива и воздуха будет существовать в различных пропорциях. При впрыске топливо испаряется в этой высокотемпературной среде и смешивается с горячим окружающим воздухом в камере сгорания.Температура испарившегося топлива достигает температуры самовоспламенения и самовоспламеняется, чтобы начать процесс сгорания. Температура самовоспламенения топлива зависит от его химического состава. В отличие от системы SI, сгорание в двигателях с воспламенением от сжатия может происходить во многих точках, где соотношение воздух-топливо и температура могут поддерживать этот процесс. Считается, что основная часть процесса сгорания в двигателях с ХИ регулируется смешиванием, потому что скорость регулируется образованием воспламеняющихся смесей воздуха и топлива в камере сгорания.
В некоторых случаях различие между модулями SI и CI может быть нечетким. В связи с необходимостью снижения выбросов и расхода топлива были разработаны системы сгорания, которые могут использовать некоторые особенности двигателей SI и CI; например, самовозгорание предварительно смешанных смесей бензина, дизельного топлива или их смеси.
Газовые турбины, рис. 2, являются еще одним примером двигателей внутреннего сгорания. Однако, в отличие от поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением, сгорание происходит отдельно в специальной камере сгорания.
Рисунок 2 . Микрогазовая турбина для расширителей диапазона в транспортных средствах средней и большой грузоподъемности(Источник: Wrightspeed Inc.)
Двигатели внешнего сгорания
В двигателях внешнего сгорания рабочее тело полностью отделено от топливовоздушной смеси. Тепло от продуктов сгорания передается рабочему телу через стенки теплообменника. Паровая машина — хорошо известный пример двигателя внешнего сгорания.
Примером поршневого двигателя внешнего сгорания является двигатель Стирлинга, в котором тепло добавляется к рабочему телу при высокой температуре и отводится при низкой температуре. Тепло, добавляемое к рабочему телу, может быть получено практически от любого источника тепла, такого как сжигание ископаемого топлива, дерева или любого другого органического материала.
Цикл Ренкина, на котором основаны многие конструкции паровых двигателей, является еще одним примером двигателя внешнего сгорания. Тепло, поступающее от внешнего источника, повышает температуру жидкости, такой как вода, до тех пор, пока она не превратится в пар, который используется для перемещения поршня или вращения турбины.Паровые двигатели приводили в движение автомобили в США с 1900 по 1916 год; однако к 1924 году они почти исчезли. Паровые грузовики были популярны в Англии до середины 1930-х годов. В то время как паровые локомотивы во многих странах постепенно заменялись тепловозами на протяжении большей части 20 -го -го века, некоторые из них оставались в эксплуатации до 21-го, -го и -го века. Причины прекращения использования парового двигателя как основного двигателя в мобильных приложениях заключались в размере и количестве основных компонентов, необходимых для их работы, таких как печь, котел, турбина, клапаны, а также в их сложных элементах управления [422] .Паровая турбина, которая до сих пор работает на многих стационарных электростанциях, является примером роторного двигателя внешнего сгорания.
В XXI веке, и годах, акцент на повышении эффективности двигателей возродил интерес к циклу Ренкина для мобильных приложений — в форме рекуперации отработанного тепла (WHR). В то время как в некоторых из этих устройств используется пар, в других используются органические жидкости, которые лучше подходят для применений с относительно низкой температурой выхлопных газов транспортных средств. Из-за комбинации цикла Ренкина и органической рабочей жидкости эти системы часто называют системами рекуперации отходящего тепла с органическим циклом Ренкина (ORC).
###
Патенты и заявки на тип двигателя внешнего сгорания (класс 60 / 39.6)
Номер патента: 10001278
Реферат: Устройство и способ работы газовой горелки на жидком топливе. Устройство объединяет каталитический риформинг жидкого топлива с пламенной горелкой, предназначенной для работы на газообразном топливе с высоким индексом Воббе, т.е.г., природный газ. Способ включает взаимодействие смеси жидкого топлива и окислителя в установке каталитического риформинга с получением газообразного продукта риформинга, имеющего низкий индекс Воббе; и после этого сжигание газообразного продукта риформинга, необязательно дополненного жидким дополнительным топливом и окислителем, в газовой горелке в условиях диффузионного пламени. Изобретение позволяет коммерческим газовым приборам, таким как печи, духовки, плиты, грили, решетки, горелки для посуды, сушилки для одежды, водонагреватели и бойлеры, работать на жидком топливе, что дает преимущества в логистике и эксплуатации лагеря. .
Тип: Грант
Зарегистрирован: 28 декабря 2015 г.
Дата патента: 19 июня 2018 г.
Цессионарий: ТОЧНОЕ СГОРАНИЕ, ИНК.
Изобретателей: Субир Ройчоудхури, Ричард Мастандуно, Брюс Краудер, Дэвид Лэнг Спенс, Франческо Макри, Джулиан Дэвид Прада Берналь
.