Содержание.
1. Введение 2
2. Принцип работы и устройство 5
3. Перспективы использования 8
4. Заключение 14
5. Список литературы 15
6. Приложения 18
Введение
21 сентября 1816 года в Эдинбурге, столице Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал машину, которую он назвал "экономайзер" (economiser ). В реальной жизни Роберт Стирлинг был священником шотландской церкви и продолжал вести службы, хотя ему к этому времени исполнилось восемьдесят шесть лет. В свободное время в своей домашней мастерской он конструировал тепловые машины. Одну из его работавших моделей позднее использовал лорд Кельвин для своих университетских лекций.
Один из первых двигателей Стирлинга
В то время двигатель Стирлинга получил признание как надежная паровая машина, которая никогда не взрывается, как это довольно часто случалось с другими типами паровых двигателей в те времена.
В 1850 простая и элегантная динамика двигателя Стирлинга была впервые теоретически описана профессором Рэнкином МакКорном ( Professor McQuorne Rankine ). Приблизительно через сто лет термин "Двигатель Стирлинга" был использован Рольфом Мейером (Rolf Meijer) для обозначения всех типов регенеративных паровых машин замкнутого цикла.
Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной, поскольку его теоретическая эффективность практически равна максимальной эффективности тепловых машин ( эффективность цикла Карно ). Двигатель Стирлинга работает за счет теплового расширения газа, за которым следует сжатие газа после его охлаждения. Двигатель Стирлинга содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между "холодной" частью (обычно комнатной температуры) и "горячей" частью, которя обычно разогревается за счет сжигания любого вида топлива, атомным реактором или за счет солнечного тепла. Нагрев производится снаружи, поэтому двигатель Стирлинга относят к двигателям внешнего сгорания.
С момента изобретения было разработано большое количество различных разновидностей двигателей Стирлинга с целью повышения мощности и эффективности. Тем не менее, они уступали по удельной мощности двигателям Отто и Дизеля. Двигатель Отто, изобретенный в 1877 году и двигатель Дизеля, изобретенный в 1893 имели более высокую уделбную мощность, чем двигатели Стирлинга того времени. Это привело к постепенному вытеснению двигателя Стирлинга из промышленности. Они еще широко применялись в начале нашего века на фермах и шахтах - в основном для приведение в действие различных насосов и других применений, где не требуется высокая удельная мощность, а основными критериями являются надежность и экономичность. Но к 1940 году их выпуск был прекращен.
Демонстрационная модель двигателя Стирлинга
Довольно долго двигатели Стирлинга использовались лишь как игрушки и учебные пособия в школах и университетах при изучении термодинамики. Но в последние годы интерес к двигателю Стирлинга быстро возрастает. Начат промышленный выпуск домашних электрогенераторов на двигателе Стирлинга ( см. приложение 1 ). Национальным Аэрокосмическим Агентством США (NASA) были проведены сравнительные оценки различных типов тепловых машин для использования в космической аппаратуре ( см. приложение 2 ). Двигатель Стирлинга был признан наиболее перспективным из-за своего высокого кпд и надежности. Выпускаются холодильные установки, работающие на обратном цикле Стирлинга - как промышленные, позволяющие получать температуру до -2400 С ( см. приложение 3 ), так и предназначенные для использования в бытовых холодильниках. В последнем случае их преимущества перед традиционными системами обусловлены тем, что в качестве хладогента в них может быть использован обычный воздух.
Таким образом, можно сказать, что история двигателя Стирлинга далеко не закончена. Его развитие входит в новый многообещающий этап.
Двигатель Стирлинга является тепловой машиной замкнутого цикла. Его работа основана на расширении газа, используемого как рабочее тело, при повышении температуры. На следующем рисунке приведены диаграммы для идеального цикла Стирлинга в координатах давление-обьем P-V и температура-энтропия T-S и иллюстрации соответствующих процессов.
На диаграммах цифрами обозначены точки, разделяющие этапы работы двигателя. На первом этапе (1-2) происходит изотермическое расширение газа. Далее, на следующем этапе (2-3) - охлаждение при постоянном объеме. Далее (этап 3-4) - изотермическое сжатие охлажденного газа. И наконец на этапе 4-1 разогрев при постоянном объеме. Полезная работа производится газом только на первом этапе. Все остальные происходят за счет запасенной части энергии (обычно, энергии вращающегося колеса).
Существуют два основных типа двигателей Стирлинга, отличающихся устройством цилиндров. В первом - так называемом двухцилиндровом (Two pistons type Stirling engine) используются раздельные цилиндры для нагревания и охлаждения рабочего газа.
Двухцилиндровый двигатель Стирлинга
На этом рисунке верхняя часть горячего цилиндра с поршнем (hot piston) постоянно разогревается внешним источником тепла, в то время, как верхняя часть холодного цилиндра с поршнем (cold piston) постоянно охлаждается. Следует обратить внимание, что поршни закреплены на коленчатом валу (crank shaft) так, что обеспечивают сдвиг по фазе на 90 градусов, т.е. в то время, как горячий поршень достигает верхнего положения, холодный находится в среднем положении, двигаясь вверх. Этот момент сооответствует этапу 2-3 на предыдущем рисунке - охлаждению при постоянном объеме. Затем холодный поршень поднимается вверх, сжимая охлажденный газ при постоянной температуре - этап 3-4. Когда холодный поршень вытесняет охлаженный и сжатый газ в горячий цилиндр, тот разогревается при постоянном объеме - этап 4-1. И наконец, горячий газ расширяется, толкая поршень в горячем цилиндре вниз - этап 1-2. На последнем этапе выделяется мощность, часть которой запасается вращающимся колесом (flywheel).
В другой конструкции - двигателе Стирлинга поршневого типа (Displacer type Stirling engine) - используется один цилиндр, одна сторона которого (верхняя на приведенном ниже рисунке) постоянно охлаждается, а другая - постоянно нагревается. Поршень-дисплейсер (displacer), разделяющий холодную и горячую части цилиндра, неплотно прилегает к стенкам цилиндра, что позволяет газу перемещаться между ними. В этой конструкции поршни так же закреплены на коленчатом валу со сдвигом по фазе на 90 градусов. Двигатель работаетпо тому же принципу, что и предыдущая конструкция.
Двигатель Стирлинга поршневого типа
И в той, и в другой конструкции тепловая энергия нагревателя преобразуется в механическую энергию вращения вала. Однако, возможно использование и обратного цикла Стирлинга - если за счет внешнего двигателя вращать вал в этих машинах, рабочий газ будет двигаться по тому же циклу. При этом "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а "холодный" - разогреваться. То есть двигатель Стирлинга в этом случае будет работать как тепловой насос, т.е. холодильная машина. Рабочим телом в нем может служить любой газ, в том числе и атмосферный воздух.
Перспективы использования.
Развитие науки и техники ривело к образованию новых "экологических ниш", в которых с успехом может применяться двигатель Стирлинга. Некоторые из них показаны на приведенных ниже рисунках.
Перспективные применения двигателя Стирлинга.
На первом из них показан пример солнечной энергетической установки (solar power system). Высокий к.п.д., простота и надежность конструкции двигателя Стирлинга обуславливают эффективность его использования в данных системах. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух. Роль такого экологически чистого источника энергии в современном мире легко оценить.
На втором рисунке схематически изображен тепловой насос Вуллемейера (Vuillemeier Heat Pump). Известно, что при использовании обратного цикла Срирлинга, т.е. если, например, приводить двигатель Стирлинга в движение с помощью какого-либо внешнего источника (например, еще одного двигателя Стирлинга), то "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а "холодный" - разогреваться. Если при этом разогревать "горячий" цилиндр (например, окружающим воздухом), то "холодный" цилиндр будет разогреваться до более высокой температуры. При этом внешняя энергия расходуется не непосредственно на разогрев, а на "перекачку" тепла из холодного места в более теплое, что гораздо эффетивнее. Для идеального случая к.п.д.такой системы может быть посчитан как
где
Тс - абсолютная температура холодной части
Тh - абсолютная температура горячей части
Поскольку даже в сильные морозы Тс редко опускается ниже 250 градусов Кельвина, для поддержания Тh на уровне 300 градусов Кельвина ( 270 ) к.п.д. составляет 250/(300-250)=5. То есть, затратив 1 кВт.ч электроэнергии на работу теплового насоса, мы получим в 5 раз больше тепла, чем если бы подавали ту же мощность прямо на электронагреватель. Отсюда легко понять интерес к тепловым насосам на основе цикла Стирлинга.
На следующем рисунке представлен криокулер Стирлинга (Stirling cryocooler). Он работает по тому же принципу теплового насоса, но используется в качестве холодильной установки для получения очень низких температур. Далее будут более подробно описаны перспективы и преимущества устройств этого типа.
На последнем рисунке покан двигатель Стирлинга, установленный на атомной подводной лодке. Поскольку в этом случае вес и габариты двигателя не играют решающей роли, высокий к.п.д. и надежность делают его идеальным кандидатом для преобразования тепловой энергии, вырабатываемой атомным реактором, в механическую. Благодаря тому, что двигатель Стирлинга практически не нуждается в уходе и настройке, он может быть размещен в изолированной части корпуса, что особенно существенно в случае затрудненного доступа (как в случае подводных лодок или космических аппаратов). Так, специалистами NASA ( Национального Аэрокосмического Агентства США) были проделаны предварительные проработки проекта создания обитаемой базы на Луне ( см. приложение 2 ). Проектом предусматривается постепенное, "эволюционное" строительство базы - начиная с маленького обитаемого модуля и до большой производственой базы с полной обработкой полезных ископаемых. В качестве основного источника энергии для работы в условиях лунной поверхности был выбран атомный реактор SP-100 с тепловой мощностью 2500 кВт и 8 электрических генераторов, работающих от двигателей Стирлинга. Два из них предполагалось держать в резерве для обеспечения требуемого уровня резервирования мощности, а остальные планировалось использовать на 91.7 процентов от их номинальной электрической мощности (150 кВт). Таким образом, полная проектная электрическая мощность составляет 825 кВт. В качестве дополнительного источника на первом этапе строительства предусмотрено использование наращиваемых солнечных батарей. В проекте приводится подробное техническое описание реакторной установки, конструкции и теплового подсоединения двигателей Стирлинга, систем отвода тепла и распределения мощности.
Описанный лунный проект демонстрирует потенциальные применения двигателей Стирлинга в будующем. Если вернуться в настоящее время, можно привести, в качестве примера, начавшийся выпуск домашних электрогенераторов на двигателе Стирлинга ( см. приложение 1 ). В приведенном рекламном материале описан совмещенный нагреватель-электрогенератор WG800 мошностью 800 Вт на двигателе Стирлинга. Прибор универсальный, предназначен для использования как в домашних условиях, так и под открытым небом. Его преимущества - высокая надежность и автономность (5000 часов работы до первого технического обслуживания), низкий уровень шума - горючее сгорает непрерывно, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, где оно поступает в цилиндр порциями и там взрывается. В качестве топлива может использоваться природный газ, все виды жидкого топлива, уголь и даже дроваВсе это делает его чрезвычайно удобным для использования в удаленных от электосетей. На рынке доступны так же более мощные, 3 кВт, модели прибора.
Другой пример современного использования приборов, основанных на цикле Стирлинга - криокулеры. В широких масштабах их начали производить около десяти лет назад - преимущественно для использования в военной технике: на танках и самолетах требовалось устанавливать высокочувствительные охлаждаемые до температур порядка -2000 С датчики и приемники. Для их охлаждения и были разработаны криокулеры на основе обратного цикла Стирлинга. Ниже приводится краткое описание одного из отечественных криокулеров, которые в связи с конверсией поступили на открытый рынок.
зПУХДБТУФЧЕООПЕ РТЕДРТЙСФЙЕ "орп пТЙПО".
нОПЗПЬМЕНЕОФОЩК ЖПФПРТЙЕНОЙЛ ОБ ПУОПЧЕ лтT У УЙУФЕНПК ПИМБЦДЕОЙС ФЙРБ уРМЙФ-уФЙТМЙОЗ
лТБФЛПЕ_ПРЙУБОЙЕ: нОПЗПЬМЕНЕОФОЩК ЖПФПРТЙЕНОЙЛ ОБ_ПУОПЧЕ УПЕДЙОЕОЙС ЛБДНЙК-ТФХФШ-ФЕММХТ У ТБЪНЕТПН ЬМЕНЕОФБ 50И50 (35И35) НЛН ДМС УРЕЛФТБМШОПЗП ДЙБРБЪПОБ 8-12 НЛН, ЙОФЕЗТЙТПЧБООЩК У ПИМБДЙФЕМЕН уФЙТМЙОЗБ. пВОБТХЦЙФЕМШОБС УРПУПВОПУФШ D* > 4*1010 чФ-1зГ1/2УН. рПФТЕВМСЕНБС НПЭОПУФШ
оБЪОБЮЕОЙЕ: фЕРМПЧЙЪЙПООБС БРРБТБФХТБ ЫЙТПЛПЗП ОБЪОБЮЕОЙС (ДЙБЗОПУФЙЛБ Ч НЕДЙГЙОЕ, БОБМЙЪ ФЕРМПЧЩИ РПФЕТШ Ч РТПЙЪЧПДУФЧЕООЩИ Й ЦЙМЩИ ЪДБОЙСИ, ЛПОФТПМШ РПФЕТШ Ч ЬОЕТЗПУЕФСИ, ФБНПЦЕООЩК ЛПОФТПМШ), ЙЪНЕТЙФЕМШОБС БРРБТБФХТБ, ОБХЮОЩЕ ЙУУМЕДПЧБОЙС Й ДТ.
Вообше говоря, современная полупроводниковая электроника подошла в своем развитии к пределу, обусловленному физическими законами. Дальнейшее повышение характаристик требует перехода к охлаждаемым до температур порядка -1000 -2000 С элементам. На последних конференциях по электронике (ISEC-97, EUCAS-97) активно обсуждаются различные способы охлаждения аппаратыры. На сегодняшний день наиболее перспективным признано использование криокулеров на цикле Стирлинга. Доступные в настоящее время, выпускаемые мелкими сериями модели маломощных криокулеров стоят порядка 10-15 тысяч долларов. При переходе к крупносерийному производству ожидается, что их цены упадут в несколько раз, что сделает коммерчески рентабельным использование охлаждаемых элементов сначала в наиболее ответственных системах - таких, как файл-серверы, и большие компьютеры, а в перспективе и в бытовых компьютерах. Таким образом, можно ожидать, что к середине следующего века, по мере распространения домашних компьютеров, двигатель Стирлинга придет практически в каждый дом
Заключение
После своего изобретения в 1816 году, двигатель Стирлинга пережил первый период своего широкого распространения - в конце прошлого - начале нашего века, после чего был практически забыт. Но в последние годы он вновь привлекает к себе повышенный интерес в самых разных областях использования. В настоящее время быстро расширяется использование криокулеров на основе цикла Стирлинга, выпускаются электрогенераторы, работающие от двигателей Стирлинга. Его преимущества - высокий к.п.д., надежность, неприхотливость, возможность использования экологически чистых источников энергии позволяют рассчитывать на широкое распространение двигателя Стирлинга в будующем.
Литература.
1. El-Genk, Mohamed S.; Editor (1994) A Critical Review of SPACE NUCLEAR POWERAND PROPULSION 1984-1993, American Institute of Physics Press
2. Organ, A. J. (1992) Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Cycle Machine, Cambridge University Press
3. Reader, G. T. and Hooper, C. (1983) Stirling Engines, E. & F. N. Spon
4. Urieli, I. and Berchowitz, D. M. (1984) Stirling Cycle Engine Analysis, Adam Hilger Ltd.
5. Walker, G. (1973) Stirling-Cycle Machines, Oxford University Press
6. West, C. D. (1986) Principles and Applications or Stirling Engines, Van Nostrand Reinhold Company, Inc.
7. Roberts, M.L.: Inflatable Habitation for the Lunar Base. Presented at the Symposium on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century, Apr. 5-7, 1988, Houston, TX, Paper Number LBS-88-266.
8. Conceptual Design of a Lunar Oxygen Pilot Plant--Lunar Base Systems Study. (EEI-88-182, Eagle Engineering, Inc., NASA Contract NAS9-17878) NASA-CR-172082.
9. Brinker, D.J.; and Flood, D.J.: Advanced Photovoltaic Power Power System Technology for Lunar Base Applications. NASA TM-100965, 1988.
10. A.C. Klein, NASA Lewis Summer Intern Report.
11. Personal communication from J. Alfred, NASA Johnson Space Center.
12. Bloomfield, H.S.: Small Reactor Power Systems for Manned Planetary Surface Bases. NASA TM-100223, 1987.
13. Slaby, J.G.: Overview of the 1988 Free-Piston Stirling SP-100 Activities at the NASA Lewis Research Center. NASA TM-87305, 1986.
14. English, R.E.; and Guentart, D.G.: Segmenting of Radiators for Meteoroid Protection. ARS J., vol. 31, no.8, Aug. 1961, pp. 1162-1163.
15. Bien, D.D.; and Guentart, D.C.: A Method for Reducing the Equivalent Sink Temperature of a Vertically Oriented Radiator on the Lunar Surface. NASA TM X-1729, 1969.
16. Roberts, B.B.; and Bland, D.: Office of Exploration: Exploration Studies Technical Report, Volume 2: Studies Approach and Results. NASA TM-4075-VOL-2, 1988.
17. Lee S. Mason and Harvey S. Bloomfield National Aeronautics and Space Administration Lewis Research Center, Cleveland, Donald C. Hainley Sverdrup Technology, Inc. NASA Lewis Research Center Group Cleveland SP-100 Power System Conceptual Design for Lunar Base Applications 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems. 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems sponsored by the Institute for Space Nucelar Power Studies, Albuquerque, NM, January 8-12, 1989
bukvasha.ru
С О Д Е Р Ж А Н И Е
Стр.
В в е д е н и е . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 3
6-1. Автомобильные двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
6-2. Криогенные газовые машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6-3. Рефрижераторные установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6-4. Электрогенераторы малой мощности . . . . . . . . . . . . . . . .. 20
6-5. Двигатели для морских судов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
6-6. Подводные энергетические системы . . . . . . . . . . . . . . . . .22
6-7. Солнечные энергетический установки . . . . . . . . . . . . . . . .22
6-8. Механический привод в аппаратах искусственное
сердце . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6-9. Универсальные энергетические системы . . . . . . . . . . . . . 23
З а к л ю ч е н и е . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Л и т е р а т у р а . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27
П р и л о ж е н и е . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
В В Е Д Е Н И Е
На рубеже веков человечество смотрит в будущее с надеждой. Надежда эта вполне оправдана: ученая мысль не стоит на месте, напротив, предлагает все новые и новые разработки, внедряя в нашу жизнь все более экономичные, экологически безопасные и перспективные технологии.
В полной мере это касается альтернативного двигателестроения и использования так называемых "новых" альтернативных видов топлива: ветра, солнца, воды и других источников энергии.
Двигатели - сердце современной цивилизации. Они обеспечивают рост производства, сокращают расстояния. Благодаря им человек получает энергию, свет, тепло, информацию, Наиболее распространенные в настоящее время двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков: их работа сопровождается шумом, вибрациями, они выделяют вредные отработавшие газы и потребляют много топлива. Известен класс двигателей, вред от которых минимален, - это двигатели Стирлинга. Они работают по замкнутому циклу, без непрерывных микровзрывов в рабочих цилиндрах, практически без выделения вредных газов, да и топлива им требуется значительно меньше.
Двигатель Стирлинга был изобретен 21 сентября 1816г. в Эдинбурге, столице Шотландии Робертом Стирлингом. Это было приблизительно за 80 лет до дизеля, и поэтому двигатель Стирлинга пользовался значительной популярностью да начала ХХ века.
В 1816 году Стирлинг получил патент на машину, которая производит движущую силу посредством нагретого воздуха. В 1827 и 1840 годах он получает еще два патента на усовершенствованные варианты своей машины. А в 1845 году на литейном заводе в Дании была пущена машина Стирлинга мощностью 50 индикаторных лошадиных сил, проработавшая в течение трех лет.
Долгое время после этого Двигатели Стирлинга не строились. И только в 1890 году было выпущено несколько образцов таких машин малой мощности. С конца XIX века, в связи с успехами в развитии двигателей внутреннего сгорания и отсутствия подходящих конструкционных материалов в значительной степени затруднило его дальнейшее совершенствование, интерес к двигателю Стирлинга утратился окончательно, и только с 1938 года началось ее возрождение. В 50-е годы ХХ века быстрое развитие технологии производства различных материалов вновь открыло перед двигателем Стирлинга некоторые перспективы, однако настоящий интерес к нему возродился только во времена так называемого "энергетического кризиса. Именно тогда особенно привлекательными показались потенциальные возможности этого двигателя в отношении экономического потребления обычного жидкого топлива, что представлялось особенно важным в период роста цен на топливо в геометрической прогрессии.
1. Что представляет собой двигатель Стирлинга?
Двигатель Стирлинга - это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. Работа двигателей характеризуется
Данное определение является обобщенным для большого семейства машин Стирлинга, различающихся по своим функциям, характеристикам и конструктивным схемам. Эти двигатели могут быть роторными и поршневыми различной степени сложности. Указанные машины способны работать как двигатели, тепловые насосы, холодильные установки и генераторы давления. Вместе с тем, существуют машины, работающие по открытому циклу, в которых управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов. Такие машины более точно могут быть названы двигателями Эриксона - по имени из
www.studsell.com
В в е д е н и е
1. Что представляет собой двигатель Стирлинга
2. Классификация двигателей
3. Схема работы двигателя Стирлинга
4. Рабочие характеристики и особенности конструкции
5. Очерк развития двигателя Стирлинга
6. Области применения
6-1. Автомобильные двигатели
6-2. Криогенные газовые машины
6-3. Рефрижераторные установки
6-4. Электрогенераторы малой мощности
6-5. Двигатели для морских судов
6-6. Подводные энергетические системы
6-7. Солнечные энергетический установки
6-8. Механический привод в аппаратах «искусственное
сердце
6-9. Универсальные энергетические системы
З а к л ю ч е н и е
Л и т е р а т у р а
П р и л о ж е н и е
В В Е Д Е Н И Е
На рубеже веков человечество смотрит в будущее с надеждой. Надежда эта вполне оправдана: ученая мысль не стоит на месте, напротив, предлагает все новые и новые разработки, внедряя в нашу жизнь все более экономичные, экологически безопасные и перспективные технологии.В полной мере это касается альтернативного двигателестроения и использования так называемых "новых" альтернативных видов топлива: ветра, солнца, воды и других источников энергии.Двигатели - сердце современной цивилизации. Они обеспечивают рост производства, сокращают расстояния. Благодаря им человек получает энергию, свет, тепло, информацию, Наиболее распространенные в настоящее время двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков: их работа сопровождается шумом, вибрациями, они выделяют вредные отработавшие газы и потребляют много топлива. Известен класс двигателей, вред от которых минимален, - это двигатели Стирлинга. Они работают по замкнутому циклу, без непрерывных микровзрывов в рабочих цилиндрах, практически без выделения вредных газов, да и топлива им требуется значительно меньше.Двигатель Стирлинга был изобретен 21 сентября 1816г. в Эдинбурге, столице Шотландии Робертом Стирлингом. Это было приблизительно за 80 лет до дизеля, и поэтому двигатель Стирлинга пользовался значительной популярностью да начала ХХ века.В 1816 году Стирлинг получил патент на «машину, которая производит движущую силу посредством нагретого воздуха». В 1827 и 1840 годах он получает еще два патента на усовершенствованные варианты своей машины. А в 1845 году на литейном заводе в Дании была пущена машина Стирлинга мощностью 50 индикаторных лошадиных сил, проработавшая в течение трех лет.Долгое время после этого Двигатели Стирлинга не строились. И только в 1890 году было выпущено несколько образцов таких машин малой мощности. С конца XIX века, в связи с успехами в развитии двигателей внутреннего сгорания и отсутствия подходящих конструкционных материалов в значительной степени затруднило его дальнейшее совершенствование, интерес к двигателю Стирлинга утратился окончательно, и только с 1938 года началось ее возрождение. В 50-е годы ХХ века быстрое развитие технологии производства различных материалов вновь открыло перед двигателем Стирлинга некоторые перспективы, однако настоящий интерес к нему возродился только во времена так называемого "«энергетического кризиса». Именно тогда особенно привлекательными показались потенциальные возможности этого двигателя в отношении экономического потребления обычного жидкого топлива, что представлялось особенно важным в период роста цен на топливо в геометрической прогрессии.
1. Что представляет собой двигатель Стирлинга?
Двигатель Стирлинга - это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. Работа двигателей характеризуется1) Высокими значениями среднего давления газа;2) Свободным от масла рабочим пространством;3) Отсутствием клапанного механизма;4) Передачей тепла через стенки цилиндра или теплообменник.Данное определение является обобщенным для большого семейства машин Стирлинга, различающихся по своим функциям, характеристикам и конструктивным схемам. Эти двигатели могут быть роторными и поршневыми различной степени сложности. Указанные машины способны работать как двигатели, тепловые насосы, холодильные установки и генераторы давления. Вместе с тем, существуют машины, работающие по открытому циклу, в которых управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов. Такие машины более точно могут быть названы двигателями Эриксона - по имени изобретателя.Между двумя типами этих машин, как правило, не делается никакого различия, поэтому название "двигатель Стирлинга" употребляется для всех без исключения регенеративных машин.Двигатель Стирлинга представляет собой преобразователь энергии, относящийся к типу тепловых двигателей, совершающих механическую работу на выходном валу при подводе к ним тепловой энергии. Полезная работа в рабочем цикле Стирлинга совершается, как и в других тепловых двигателях, посредством сжатия рабочего тела (гелий, водород) при низкой температуре и расширения того же рабочего тела после нагрева при более высокой температуре. Основные термодинамические процессы, протекающие в обычных тепловых двигателях: сжатие газа, поглощение тепла, расширение газа и отвод тепла, легко различимы и в цикле двигателя Стирлинга, однако имеется радикальное различие в том, как протекает процесс поглощения тепла в двигателе внутреннего сгорания (ДВС).В ДВС распыленное топливо соединяется с окислителем, как правило воздухом, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь отдает свою энергию во время кратковременной фазы горения (сгорания), в то время как в двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник (Схема 1). Еще одним существенным различием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов или отверстий для впуска и выпуска, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя.Скорость двигателя Стирлинга можно регулировать, изменяя количество газа в двигателе или величину среднего давления. Применяя эти средства регулирования скорости, необходимо предусмотреть клапанный механизм с соответствующей системой патрубков, примыкающих к цилиндрам, но не составляющих с ними одно целое. При этом клапанный механизм имеет другое назначение и другие характеристики по сравнению с клапанным механизмом двигателя внутреннего сгорания.Работа двигателя Стирлинга по замкнутому циклу определяет как его преимущества, так и недостатки. Например, поскольку рабочее газообразное тело постоянно находится в полости двигателя, отвод неиспользованного тепла в атмосферу полностью осуществляется через теплообменник, в то время как в двигателях, работающих по незамкнутому циклу, производится также выпуск горячих газов из цилиндров. Поэтому по сравнению с двигателем внутреннего сгорания двигателю Стирлинга требуется более развитая система охлаждения, как это видно из структуры энергетического баланса (Схема 2). В системах, предназначенных для транспортных средств, где экономия занимаемого двигателем объема является определяющим фактором, необходимость использования радиатора с увеличенным рабочим объёмом является недостатком, в то же время это может стать преимуществом в системах, потребляющих всю энергию, и в тепловых насосах, где холодильник больших размеров может увеличить КПД системы.Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга существенно и работа без периодических взрывов означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и тем самым более приемлемым с точки зрения социальных требований, а также перспективным для применения в военных целях.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 энергий, аккумулированная тепловая энергия, тепловая энергия, выделяющая при горении металла, ядерная энергия и т.п. может быть использована 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.В двигателях Стирлинга применяются регенеративные теплообменники (регенераторы), размещенные в каналах, по которым газ перемещается между горячей и холодной зонами двигательной установки. Функцией регенератора является попеременное накопление и возвращение части тепловой энергии, полученной в рабочем цикле двигателя. Передача энергии пульсирующему газовому потоку должна происходить таким образом, чтобы свести к минимуму подвод тепла к установке и в то же время поддерживать на заданном уровне мощность, снимаемую с вала. Результатом действия регенератора является возрастание КПД цикла, поэтому теплообменник такого типа - существенный элемент любого двигателя Стирлинга, рассчитанного на практическое применение.Таким образом, правильнее определить двигатель Стирлинга как тепловой двигатель, работающий по замкнутому регенеративному циклу (Схема 3). В основе конструкции двигательной установки Стирлинга лежат принцип разделения горячей и холодной рабочих полостей и способ, с помощью которого рабочее тело направляется из одной полости в другую. Управлять эти потоком, искусственно поддерживая разность давлений в полостях, нежелательно, поскольку энергия, вырабатываемая двигателем Стирлинга, почти прямо пропорциональна давлению цикла, и, следовательно, падение давления уменьшает величину полезной механической работы, совершаемой двигателем. Поэтому для создания необходимых газовых потоков используют изменение физических объемов горячей и холодной рабочих полостей. Естественно предположить, что для этой цели требуется система поршень - цилиндр, а не система турбина - сопло. Особенно подходит такая система для создания возвратно-поступательного движения, хотя можно предположить, что роторный двигатель типа двигателя Ванкеля также пригоден для реализации принципа Стирлинга. Все двигатели Стирлинга, как уже сконструированные, так и разрабатываемые, основаны на принципе возвратно-поступательного движения. Имеются различные способы осуществления такой формы движения, и именно это помогает классифицировать различные типы двигателей Стирлинга.
2. Классификация двигателей
Предлагаемая схема классификации и идентификации двигателей Стирлинга включает следующие три признака:а) режим работы;б) способ соединения цилиндров;в) способ соединения поршней.Каждый признак включает несколько подпризнаков и в пределах каждого подпризнака возможны еще дополнительные деления. Очевидно, что предлагаемая схема не сможет охватить всех форм двигателя, однако классификация по трем основным признакам могла бы в конечном свете помочь систематизировать все существующие и будущие его формы.
а. Режим работыВыделены следующие шесть режимов работы двигателей Стирлинга:1а) двойного действия;1б) простого действия;2а) однофазный;2б) многофазный;3а) резонансный;3б) нерезонансный.Термины «однофазный» и «многофазный» относятся к физическому состоянию рабочего тела. До появления «мокрого» «Флюидайна» не было необходимости в описании фазового состояния, однако после успешной разработки «Флюидайна» ряд исследований выявил преимущества использования многофазного рабочего тела и в двигателях Стирлинга других видов. Аналогично с изобретением свободнопоршневых форм двигателя потребовалось выделение третьей группы режимов работы. Такие двигателя могут работать при скоростях, соответствующих резонансной частоте упругой системы, которой является такой двигатель, или же в нерезонансном режиме, известном также как режим «банг-банг». Двигатели «Флюидайн» также могут быть рассчитаны на работу при резонансной частоте системы. В двигателях с обычными кривошипно-шатунными механизмами необходимо избегать резонансных режимов. Поэтому третья группа режимов обладает меньшей степенью общности, чем первые две. Итак, конкретный двигатель может быть описан при помощи комбинаций трех терминов из шести, как показано на схеме 4.
б. Способ соединения цилиндров.Классификация по второму признаку включает в себя классификацию, раннее предложенную Керкли и Уокером. Эта классификация идентифицирует способ компоновки пары вытеснитель-поршень по отношению к рабочим полостям переменного объема. Имеются три типа соединения цилиндров:1) альфа;2) бета;3) гамма.Соединение альфа включает группу двигателей с двумя отдельными цилиндрами, в каждом из которых имеется уплотненный в нем поршень.Горячий и холодный переменные объемы формируются независимо друг от друга при движении соответствующих поршней. В двигателе с компоновкой бета имеется один цилиндр, в котором последовательно расположены поршень и вытеснитель, а переменный холодный объем образуется при совместном движении поршня и вытеснителя. Соединение гамма – это в той или иной мере гибрид компоновок альфа и бета, в котором имеются два отдельных цилиндра, как в способе альфа, однако переменный холодный объем образуется способом бета. Эти три типа соединения цилиндров показаны на рисунке 1 на примере двигателей с обычным кривошипно-шатунным приводом.
в. Способ соединения поршнейСпособ соединения поршней является дополнительным классификационным признаком. Этот признак подразделяется на более детальные признаки, примеры которых даны ниже. В двигателях Стирлинга применяются три основные формы соединения поршней:1) жесткое соединение;2) соединение через газ;3) соединение через жидкость.В двигателях с жестким соединением используются недеформированные механические звенья, соединяющие движущиеся возвратно-поступательно элементы, которые определяют последовательность изменений объемов в цилиндрах, а также образуют механизм для отвода энергии от двигателя. Типичные механизмы, которые относятся к жестким соединениям, следующие:а) кривошипно-шатунный механизм;б) ромбический привод;в) косая шайба;г) кривошипно-кулисный;д) кривошипно-балансирный механизм;е) механизм Росса.Изобретение двигателя Била и харуэллской машины потребовало введения в классификацию соединения через газ. В этих двигателях взаимное положение поршней определяется газовой динамикой, а не механическими устройствами. Имеется много разновидностей соединения этого типа, например:а) свободнопоршневой двигатель;б) двигатель со свободным вытеснителем;в) двигатель со свободным цилиндром.Последний тип соединения поршней – соединение через жидкость. Необходимо, однако, подчеркнуть, что использование в двигателе Стирлинга жидкого рабочего тела не обязательно означает, что поршни соединяются через жидкость. Например, в двигателе Стирлинга-Мелоуна поршни соединены жестким механизмом. В соединении через жидкость поршни действительно должны соединяться через жидкость. В настоящее время только двигатели "«Флюидайн» попадают в эту категорию. Имеются, по крайней мере три способа, которыми осуществляется соединение через жидкость:а) с помощью реактивной струи;б) с помощью качающегося стержня;в) с помощью разности давлений.Три основных классификационных признака можно также использовать для точной классификации гибридных двигателей, в которых, например, рабочий поршень жестко соединен с выходным валом, однако рабочий поршень и вытеснитель соединены друг с другом через газ. Тем не менее новые формы двигателей могут потребовать дальнейшего расширения предлагаемой классификации. Чтобы проиллюстрировать применение предлагаемой классификационной схемы, в таблице 1 приведена классификация по этой схеме хорошо известных двигателей Стирлинга.Такая система может показаться несколько усложненной, однако простая система оказалась недостаточной для охвата всего разнообразия форм двигателей. В будущем могут быть подобраны подходящие условные обозначения, с помощью которых станет возможным создать методику стенографической классификации. Предлагаемая классификационная схема в полном объеме представлена на схеме 5.
Двигатель Описание в соответствии с классификациейФирмы "Филипс" с ромбическим приводом Простого действия, однофазный, нерезонансный, типа бета, с жёстким соединением поршнейР-40 фирмы "Юнайтед Стирлинг" Двойного действия, однофазный, нерезонансный, типа альфа, с жёстким соединением поршней"Мокрый" "Флюидайн" с реактивной струёй Простого действия, многофазный, резонансный, типа альфа, с соеди- нением поршней через жидкостьСвободнопоршневой Била Простого действия, однофазный, резонансный, типа бета, с соединением поршней через газХенричи Простого действия, однофазный, нерезонансный, типа гамма, с жёстким соединением поршней
Таблица 1. Классификация двигателя Стирлинга.
Эта схема не только позволит классифицировать и идентифицировать существующие двигатели, но и окажется пригодной для качественной оценки различных форм двигателей, которые могут быть созданы в будущем.
3. Схема работы двигателя Стирлинга
Перечислим основные особенности работы двигателя:1. В двигателе Стирлинга происходит преобразование тепловой энергии в механическую посредством сжатия постоянного количества рабочего тела при низкой температуре и последующего (после периода нагрева) его расширения при высокой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию.2. В принципе при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.3. Необходимое изменение рабочего тела обеспечивается наличием разделенных холодной и горячей полостей, по соединительным каналам между которыми под действием поршней перемещается рабочее тело.4. Изменения объема в этих двух полостях должны не совпадать по фазе, а получающиеся в результате циклические изменения суммарного объема в свою очередь не должны совпадать по фазе с циклическим изменением давления. Это - условие получения механической энергии на валу двигателя.Таким образом, принцип Стирлинга – это попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном пространстве рабочего тела.Известно, что Стирлинг использовал периодическое изменение температуры газа, применив вытеснительный поршень (в дальнейшем называемый вытеснителем). Вытеснитель заставляет перемещаться газ в одну из двух полостей цилиндра, одна из которых находится при постоянно низкой, а другая при постоянно высокой температуре. При движении вытеснителя вверх газ по каналам нагревателя и холодильника перемещается из горячей полости в холодную. При движении вытеснителя вниз газ возвращается тем же путем в горячую полость. В первом случае газ должен отдавать большое количество тепла холодильнику. Во втором - получать от нагревателя равное количество тепла. Регенератор, предназначенный для предотвращения потерь тепла, располагается между нагревателем и холодильником. Он представляет собой некую полость, заполненную пористым материалом, которому горячий газ до поступления в холодильник отдает тепло. Когда же газ течет обратно, регенератор возвращает ему запасенное тепло до того, как газ поступает в нагреватель.Система вытеснителя, обеспечивающая периодичность нагрева и охлаждения газа, соединена с рабочим поршнем (в дальнейшем называемым поршнем), который сжимает газ в холодной полости и позволяет ему расширяться в горячей. Поскольку сжатие газа происходит в полости с более низкой температурой, чем расширение, то получается полезная работа. На рисунке показаны четыре цикла, через которые проходит вся система, предполагая, что поршень и вытеснитель двигаются прерывисто. Движения поршня и вытеснителя в двигателе практически непрерывны. Их непрерывное движение обеспечивается посредством кривошипно-шатунного механизма. В этом случае невозможно обнаружить резких границ между четырьмя стадиями цикла, и сам цикл принципиально не меняется, и его КПД не уменьшается.Таким образом, двигатель Стирлинга представляет собой поршневую машину с внешним подводом тепла, в котором рабочее тело постоянно находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.Предполагается, что движения поршня и вытеснителя - прерывистые. Тогда весь цикл можно разделить на четыре стадии (рис.2.):I - Поршень находится в крайнем нижнем положении, а вытеснитель - в крайнем верхнем. Весь газ - в холодной полости;II - Вытеснитель остается в верхнем положении. Поршень сжимает газ при низкой температуре;III - Поршень остается в крайнем верхнем положении. Вытеснитель переталкивает газ из холодной полости в горячую;IV - Нагретый газ расширился. Поршень и вытеснитель находятся в своих крайних нижних положениях. В то время как поршень остается на месте, вытеснитель переталкивает газ в холодную полость. Потом цикл повторяется.
Для подвода тепловой энергии можно использовать любой источник тепла: солнечную энергию, биотопливо, ядерную энергию, электроэнергию и проч. В качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно используется воздух, гелий или водород. Идеальный термодинамический цикл двигателя Стирлинга обладает термическим КПД, равным максимально возможному теоретическому и составляет 30-40%. КПД двигателя остается почти постоянным в широком диапазоне условий его работы. Но следует учитывать, что двигатель Стирлинга может работать с высоким КПД только при наличии эффективного регенератора. Наиболее эффективно двигатель работает при постоянных значениях скорости и мощности.Нагрев, охлаждение и регенерация рабочего тела в двигателе осуществляется с помощью встроенных теплообменников, которые должны работать в среде, не содержащей масел, что предотвращает их засорение. В двигателе расходуется довольно малое количество смазочных материалов. Среднее давление в цилиндре, как правило, находится в пределах 10...20 МПа. При таких колебаниях давления требуется совершенная система уплотнений для предотвращения утечки рабочего тела в картер (проблема, особенно сложная при использовании гелия или водорода), а также попадания смазочных материалов в рабочие полости, что может вызвать увеличение потери давления и снижение выходной мощности.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. Для нагрева рабочего тела применяют непрерывный процесс горения, что позволяет сжигать различные виды топлива, которые, эффективно сгорая, не создают опасности попадания твердых частиц из топлива, окислителя или окружающего пространства в рабочие цилиндры. При использовании для сжигания жидкого топлива непрерывное горение можно легко регулировать, в результате чего резко снижается уровень выбросов, особенно несгоревших углеводородов и окиси углерода. Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов в цилиндрах означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и перспективным для применения в военных целях.Отношение мощности к массе у двигателя Стирлинга сопоставимо с аналогичным показателем дизельного двигателя с турбонаддувом. Удельная мощность на выходе такая же, как и у дизельного двигателя. Крутящий момент практически не зависит от скорости. Двигатель Стирлинга реагирует на изменения нагрузки аналогично дизелю, однако требует более сложной системы регулировки, он более сложен, чем обычные тепловые двигатели. Стоимость его изготовления выше стоимости изготовления ДВС, однако, расходы на эксплуатацию гораздо меньше.
4. Рабочие характеристики и особенности конструкции
1.Мощность, вырабатываемая двигателем Стирлинга, какпоказывает практика, почти прямо пропорциональна среднему давлению цикла. Поэтому, чтобы получить высокие значения абсолютной и удельной мощности, давление в двигателе должно составлять 10-20 МПа. Такие высокие значения давления создают специфические проблемы при проектировании двигателей. Особую трудность представляет решение проблем, связанных с- герметизацией рабочего тела;- напряжениями в теплообменнике;- нагрузками на подшипники и детали механизма привода.Поскольку величина давления влияет на развиваемую мощность, управление изменением давления позволяет регулировать крутящий момент двигателя.2. КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. КПД двигателя почти не зависит от скорости двигателя при условии, что температура в трубках нагревателя не изменяется во всем диапазоне рабочих режимов двигателя и температура в холодильнике не возрастает. Температуру в трубках нагревателя следует поддерживать на возможно более высоком уровне. При повышении температуры охлаждающей жидкости на один градус КПД двигателя падает на 0,5%. Вследствие непрерывного воздействия высоких температур для обеспечения длительного срока службы требуются высококачественные сплавы.3. Нерабочие объемы в двигателе Стирлинга теоретически могут быть сведены к нулю, однако на практике они достигают 50% внутреннего объема, занимаемого газом. Такая величина мертвого объема необходима для размещения теплообменника и обеспечения достаточной площади поверхности теплообмена. Мертвый объем снижает выходную мощность двигателя; влияние же его величины на КПД двигателя неоднозначно и зависит от местоположения этого объема. Изменением мертвого объема при работе двигателя можно регулировать вырабатываемую мощность.4. С увеличением рабочего объема возрастает выходная мощность двигателя при условии, что давление и температура постоянны. Не существует никакой эмпирической зависимости, связывающей рабочий объем и выходную мощность. Заданный рабочий объем обеспечивается при отношении диаметра цилиндра к ходу поршня, близком к 2, что дает оптимальное соотношение между потерями на теплопередачу и на трение в уплотнениях.5. С ростом скорости двигателя потери на сопротивление газа приобретают решающее значение, поскольку они пропорциональны квадрату скорости. Для уменьшения этих потерь в качестве рабочего тела используют газы с малой молекулярной массой, такие, как гелий и водород.6. Для обеспечения стабильности выходной мощности изменения объема полости расширения должны опережать изменения объема полости сжатия. Для получения оптимальной выходной мощности это опережение должно соответствовать фазовому углу 90.7. Выбор рабочего тела зависит исключительно от конкретного назначения двигателя, поскольку один и тот же КПД можно получить безотносительно к рабочему телу при условии, что конструкция двигателя оптимальна по отношению к выбранному рабочему телу. Однако для получения более высоких удельных мощностей требуются более легкие газы.8. Двигатель Стирлинга по своей природе обладает низким уровнем шума. Механический и аэродинамический шумы этого двигателя существенно ниже, чем у его конкурентов. Однако, чем выше давление цикла, тем выше шум, вызываемый работой двигателя. По сравнению с сопоставимым дизельным двигателем уровень аэродинамического шума двигателя Стирлинга ниже на 18 дБ. Основным источником шума современных двигателей Стирлинга являются синхронизирующие зубчатые колеса и нагнетатель воздуха.9. В двигателях Стирлинга можно использовать источники энергии, не производящие никаких загрязняющих атмосферу выбросов. Даже при использовании природных топлив присущей этим двигателям устойчивый процесс горения позволяет значительно понизить уровень концентрации токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу, по сравнению с уровнями концентрации таких веществ, выбрасываемых другими двигателями, при условии, что предусмотрены специальные меры для снижения температуры ниже порога образования окислов азота. Автомобильный двигатель Стирлинга является в настоящее время единственной энергосиловой установкой, удовлетворяющей жестким стандартным по допустимым уровням содержания токсичных веществ в автомобильных выбросах.10. Доля энергии цикла, которая отводится через холодильник, в двигателе Стирлинга на 60-250% выше, чем в обычных поршневых двигателях. Чтобы справиться с такой тепловой нагрузкой, необходимы радиаторы больших размеров. В тех случаях, когда установка предназначена для использования всех видов вырабатываемой энергии, это может дать двигателю Стирлинга дополнительные преимущества.11. Энергосиловая установка автомобиля с двигателем Стирлинга имеет большие перспективы с точки зрения устранения выбросов, загрязняющих окружающую среду, уменьшения расхода топлива и соответственно снижения затрат на эксплуатацию.
5. Очерк развития двигателей Стирлинга
Роберт Стирлинг постоянно совершенствовал свой двигатель, работающий на подогретом воздухе. К 1908г. двигатель Стирлинга был уже настолько усовершенствован, что по обе стороны Атлантического океана широко использовались регенератор и принцип двойного действия в нем. Обсуждение возможных областей применения и перспектив этого двигателя регулярно проводилось в известных журналах, таких, как «труды института инженеров-механиков». С середины XIX в. и до начала первой мировой войны воздушно-тепловые двигатели как с разомкнутым, так и с замкнутым циклов имели значительный коммерческий успех, удовлетворяя технические потребности человечества в чрезвычайно широком диапазоне -–от энергетических установок на судах до приводов швейных машин, насосов и агрегатов для подачи воздуха в церковные органы. Эта последняя область применения была, пожалуй, первым случаем, когда основанием для применения двигателя была бесшумность его работыЕще в 1908 г. была предложена солнечная установка для привода водяного насоса с помощью двигателя Стирлинга. Популярность водяных насосов подтверждалась наличием в фирменных каталогах рекомендаций, подписанных такими известными личностями, как король Эдуард VII. Но несмотря на этот успех, к 20-м годам нашего века интерес к двигателям Стирлинга угас.Этапы разработки двигателей Стирлинга можно проследить начиная с 1818г., однако наибольшее внимание уделяется совершенствованию двигателей Стирлинга начиная с 1938г. Разработка конструкций двигателей Стирлинга с этого времени прошла через определенные этапы. Одной из фирм, проводивших исследования в области совершенствования двигателей была фирма «Филипс».
1937-1938 гг.Фирма «Филипс» проявляет интерес к двигателям с замкнутым циклом, работающим на подогретом воздухе и предназначенным для электрогенераторов малой мощности.
1938-1947 гг.Создано несколько опытных образцов двигателей с лучшими характеристиками по сравнению с двигателями 30-х годов.
1948-1953 гг.Внимание переключается на холодильные машины. Выясняется, что применение газов с малыми молекулярными массами улучшает рабочие характеристики. Тем не менее продолжается исследование и разработка Двигателей – источников механической энергии как простого, так и двойного действия, Интерес к ним проявляют фирмы «Форд» (США) и «Дженерал моторс». Резкий скачок в разработке двигателя Стирлинга был сделан в 1953 г., когда Мейер изобрел ромбический привод, что позволило использовать более высокие рабочие давления. Развитие конструкций двигателей- источников механической энергии и холодильных машин пошло различными путями.
1954-1958 гг.В течение этого периода было построено и испытано много двигателей с ромбическим приводом, при этом в двигателе 1-365 с водородом в качестве рабочего тела среднее давление цикла достигло 14 МПа. С использованием газа при высоких давлениях возникла проблема надежности уплотнений. Чугунные поршневые кольца не подходили из-за значительной утечки масла. Уплотнения сальникового типа для картера также оказались неподходящими. Было разработано уплотнение поршня с плотной посадкой. Поршень изготавливался с нанесенными на нем кольцевыми слоями сплава олова, свинца и сернистого молибдена. Затем поршень при сильном охлаждении вставлялся в цилиндр. В 1957 году «Дженерал моторс» вновь проявляет интерес к Двигателю Стирлинга и работам фирмы «Филипс». И в ноябре 1958 года между ними заключается соглашение по предоставлению лицензии сроком на 10 лет.
1958-1962 гг.« Филипс» продолжает работу над двигателем 1-98 с ромбическим приводом. Было построено свыше 30 вариантов этого двигателя.В этот период времени были намечены три основных области применения двигателей Стирлинга, в которых фирма «Дженерал моторс» намеревалась проводить дальнейшую работу: подвесной мотор для судов, генератор для спутников, работающий на солнечной энергии, и компактный генератор ГПУ (англ). GPU-Ground Power Unit) для работы в полевых условиях для армии США. Другие возможные области применения включали силовые установки для речных и каботажных морских судов, подводных лодок и железнодорожного транспорта.Первым двигателем, который испытывался фирмой «Дженерал моторс», был одноцилиндровый двигатель мощностью 23 кВт с плотной посадкой поршня в цилиндре.
1963-1968 гг.Изобретение ромбического привода и уплотнения типа «скатывающийся чулок», а также усовершенствования процесса сгорания, теплообменников и систем регулирования позволили приступить к созданию более мощных двигателей. Продолжалась интенсивная работа с двигателем ГПУ, и его мощность была доведена до 9 кВт. Кроме того, и «Филипс», и «Дженерал моторс» провели исследования и построили двигатели мощностью 200 кВт. Использовались они на морских судах, на автобусах, в военно-морских силах США.Продолжались работы и над двигателем простого действия, которые интенсивно вела фирма «Дженерал моторс». Они построили и провели испытания двигателя PD67 для спутника. В 1964 г. на автомобиле марки «Кал вер» был испытан двигатель Стирлинга мощностью 23 кВт, тепловая энергия, для которого поступала от теплового аккумулятора энергии на основе окиси алюминия.В этот же период были начаты исследования свободнопоршневых двигателей и двигателей с жидкими поршнями. Были созданы и испытаны с разной степенью успеха опытные образцы таких двигателей. Работы по свободнопоршневым двигателям проводились в различных институтах США.
1968-1978 гг.Это был период интенсивных исследований, однако, без крупных достижений. Работа над автомобильным двигателем Стирлинга не прекратилась, и ее продолжали фирмы «Форд» и «Филипс» в соответствии с соглашением, подписанным в 1972г. Шведская фирма «Юнайтед Стирлинг» также совершенствовала свои автомобильные двигатели, предназначенные для тяжелых грузовиков и автобусов. Объединение MAN-MWM не раскрыло предполагаемую область применения своих двигателей, однако, предполагалось, что эти двигатели предназначены для военно-морских судов.К концу рассматриваемого периода были достигнуты значительные успехи в разработке двигателя Стирлинга, работающего на жидком природном топливе и предназначенного для использования на легковых и грузовых автомобилях.Успешные испытания двигателей серии Р фирмы «Юнайтед Стирлинг», в которых использовался U-образный кривошипный привод Рикардо, вызвали интерес многих фирм. Помимо автомобильного транспорта были рассмотрены другие области применения, такие, как электрические генераторы, использующие солнечную энергию, установки для подводных лодок и дистанционного управляемые стационарные электрогенераторы, работающие не на жидком топливе.Работы над свободнопоршневым двигателем в этот период достигли такого уровня развития, что стало возможным приступить к коммерческому выпуску двигателей. Были предприняты работы по совершенствованию двигателя с целью использования его на Индийском субконтиненте. Изучались также возможности использования «сухой» модификации этого двигателя, работающего на угле.
Период, начиная с 1978г.Основное направление работ переключилось с двигателя с качающей шайбой на энергосиловую установку Р-40 с U-образным кривошипным приводом. Интенсивность исследований, связанных с двигателем Стирлинга, с 1978 г. возросла примерно в 10 раз, однако все усилия были направлены в основном на доводку существующих конструкций, а не на разработку новых. Нельзя, конечно, утверждать, что работа над новыми конструкциями вообще не велась. Но направление работ во всех областях в большей степени ориентировалось на создание промышленных образцов двигателей, поскольку почти все программы ориентированы на определенную область применения двигателя Стирлинга.
6. Области применения
Двигатель Стирлинга можно использовать во всех областях, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую. В самом деле, почти нельзя назвать ни одной сколько-нибудь серьёзной области потенциального применения двигателя Стирлинга, в которой уже не было бы предпринято попытки его использования или по крайней мере такая возможность не изучалась. При этом нельзя выделить каких-то необычных областей применения, поскольку во всех случаях имеются альтернативные источники механической энергии аналогичного назначения. По рабочим характеристикам или приспособленности альтернативные установки могут уступать двигателю Стирлинга, однако нет оснований утверждать, что двигатель Стирлинга – это единственно подходящий источник механической энергии для данной области применения, хотя было бы трудно, например, представить паровую турбину или дизельный двигатель в качестве привода искусственного сердца. Развитие двигателей Стирлинга, как и других источников механической энергии, стимулировалось, как правило, техническими и социально-экономическими требованиями времени. Так, например, о возможности использования двигателя Стирлинга на автомобиле особенно не задумывались до 1962г., когда общество начало испытывать беспокойство по поводу загрязнения окружающей среды, и только в 70- годах, в условиях энергетического кризиса, влияние которого ощущается еще и сейчас, в программы совершенствования автомобильных двигателей Стирлинга начали вкладывать значительные средства.Первоначально предполагавшееся фирмой «Филипс» применение двигателей Стирлинга в качестве составной части портативных электрогенераторов не состоялось из-за быстрого совершенствования других устройств, предназначенных для той же цели, однако в настоящее время под воздействием экономических факторов эта область применения вновь привлекает внимание. Области применения, в которых двигатель Стирлинга использовался в XIX веке и был в конечном счете вытеснен, теперь изучаются вновь. Поэтому нецелесообразно перечислять отдельные случаи применения двигателя Стирлинга в хронологической последовательности.
6-1. Автомобильные двигатели
Новейший усовершенствованный двигатель Стирлинга- продукт совместных усилий многих областей техники. Исследовательская лаборатория фирмы «Филипс», вероятно, единственная в мире, объединяющая передовую технологию с дальновидностью руководства, что позволяет ей длительное время проводить исследования по двигателям Стирлинга в широком масштабе. Ежегодно только в этой фирме в разработке двигателей внутреннего сгорания участвуют тысячи инженеров. То что фирма «Филипс» в относительно короткое время и с относительно малым штатом смогла создать двигатели Стирлинга с высокими характеристиками, представляется для других фирм невероятным; принимая все это во внимание, было рискованно пытаться предвидеть будущее развитие.Сомнительно, чтобы двигатель Стирлинга, если исходить только из экономических показателей, мог бы когда-нибудь составить конкуренцию дизелю в любых уже установившихся областях применения. Однако сейчас вопрос об использовании двигателей уже поднимается на основании только одних технико-экономических показателей. Социальные аспекты техники становятся все более важными; это особенно видно из того, что общество уделяет пристальное внимание проблеме загрязнения воздуха выхлопными газами автомобильных двигателей. Известно, что интерес к этому вопросу особенно высок в США, где наиболее велика мощность автомобильных двигателей. В то же время фирма «Филипс» уже убедительно продемонстрировала значительное уменьшение шума и загрязнения воздуха при применении двигателей Стирлинга для автомобилей. Возможно, что под действием общественности будут приняты более жесткие стандарты, контролирующие загрязнение воздуха, а от дизелей и бензиновых двигателей внутреннего сгорания потребуют таких норм по уменьшению вредных составляющих в выхлопных газах, что двигатели фирмы «Филипс» будут конкурентоспособны. Вероятность такой ситуации вполне реальна, и, без сомнения, это и есть основание для фирмы «Филипс» и ее субподрядчиков обратить особое внимание на разработку автомобильных двигателей мощностью 73,5 кВт (100 л.с.) и 147 кВт (200 л.с.). Последующие несколько лет должны быть переломными в этом вопросе, но к 1980 г. двигатели Стирлинга на грузовиках могут быть уже не новостью.
6-2. Криогенные газовые машины
Интерес фирмы «Филипс» к криогенным машинам, работающим по обратному циклу Стирлинга, проявился случайно и был побочным успехом при разработке двигателей на ранней стадии их развития. Семейство криогенных машин фирмы «Филипс» разрабатывалось под руководством Кёллера, и теперь они занимают ведущее место в любом каталоге малых и средних криогенных установок. Эти машины привели к развитию и соответствующего криогенного оборудования. Типы криогенных газовых машин, предлагаемых покупателю фирмой «Филипс», охватывают широкий диапазон от миниатюрных машин с холодопроизводительностью в доли ватта до больших промышленных агрегатов с холодопроизводительностью в несколько киловатт.С появлением сверхпроводящих материалов, работающих при более высоких температурах, и возрастающем использовании инфракрасной техники, вероятно, появятся разнообразные возможности для применения небольших криогенных машин. Для этих целей потребуются меньшие по габаритам, более дешевые и более надежные машины, чем существуют в настоящее время.Одним из наиболее перспективных направлений использования криогенных газовых машин Стирлинга, является создание гаражных заправочных пунктов по получению сжиженного природного газа, сжиженного биометана и сжиженного шахтного метана, расположенных непосредственно у пользователей. Производительность гаражных пунктов, созданных на основе отечественных и зарубежных КГМ Стирлинга, колеблется в пределах от 10 до 700 кг/ч криогенного продукта. Сжиженные метаносодержащие газы являются наиболее перспективными моторными топливами, альтернативными традиционным нефтяным топливам.
6-3. Рефрижераторные установки
Машины Стирлинга могут обеспечить охлаждение на любом температурном уровне в диапазоне от температуры окружающей среды до уровня, близкого к абсолютному нулю. Они с успехом работают в криогенных рефрижераторных установка при температурах, меньших 100 К. При более высоких температурах они практически неизвестны, хотя, собственно, нет никаких технических оснований не применять их для охлаждения при температурах, близких к температуре окружающей среды.В 1959 г. Финкельштейном и Полянски было проведено равнение характеристик двухцилиндровой машины Стирлинга и обычной холодильной машины. Они определили, что производительность машины Стирлинга при температуре более 230К ниже, чем обычной, но она увеличивается по мере понижения температуры. Были исследованы возможности передвижных систем охлаждения с циклом Стирлинга. Основываясь на установке, работающей по схеме Рини с приводом от косой шайбы можно предположить значительную экономию в массе и габаритах без снижения характеристик по сравнению с обычными парокомпрессионными машинами. По-видимому, установки такого типа представляются перспективными для систем кондиционирования воздуха на железнодорожном транспорте, автомобильном, а также для систем охлаждения на военно-транспортных машинах и военно-морских судах.
6-4. Электрогенераторы малой мощности
Существует много областей применения для электрогенераторов малой мощности, способных работать автономно в отдаленных районах в течение длительного времени. Уровень их мощности колеблется от 5 Вт до 5 кВт, но особый интерес представляет диапазон от 200 до 500 Вт. Такие электрогенераторы требуются для многих целей, но в основном для снабжения электроэнергией систем навигации, таких как маяки и буи, автоматические метеостанции, а также для телеметрии и станций усиления связи. Они могут быть использованы под водой как для гражданских, так и для военных целей, в горах, в недоступных районах Арктики и в аварийных навигационных ситуациях. В качестве местного топлива для стирлинг-генераторов может использоваться торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Для большинства областей применения главным критерием является надежность. Практических ограничений по массе, габаритам и частоте вращения для таких энергоустановок нет. Так же не важны режимы пуска и останова, поскольку в большинстве случаев имеется возможность подключения системы аккумуляторных батарей для отвода избыточной мощности (например, ночью), в то время как электрогенератор продолжает вырабатывать постоянную мощность в устойчиво режиме. Регулирование и контроль за работой двигателя не являются серьезной проблемой. В большинстве случаев предпочтительней (и легче) регулировать электрические параметры системы, чем параметры самого двигателя.
6-5. Двигатели для морских судов
Использование двигателей Стирлинга для морских судов заслуживает внимания, поскольку легкодоступный источник охлаждения позволяет решить одну из главных трудностей, имеющуюся у автомобильных двигателей Стирлинга. Это обстоятельство было отмечено фирмой «Филипс» на ранних стадиях разработок, и одним из первых практических применений двигателя стал крейсерский катер «Иоганн де Вит», на котором была продемонстрирована работоспособность двигателя.Будущие возможные области применения двигателей Стирлинга фирмы «Филипс» мощностью около нескольких сотен киловатт как для военных, так и для гражданских целей намечаются всякий раз, когда используемые сейчас дизели становятся непригодными по уровню шума, вибрации и загрязнения воздуха. Вероятно, для очень больших мощностей могут быть разработаны двигатели Стирлинга с характеристиками современных судовых дизелей. Однако производство таких двигателей маловероятно по причине большой стоимости их разработок и способности дизелестроительных фирм удовлетворять в настоящее время сравнительно небольшой спрос на эти двигатели.С другой стороны, вероятно, имеется и потребность в двигателях малой мощности (от 5 кВт и выше) для получения электроэнергии и применения их во вспомогательных силовых установках, а также на небольших судах. В этих областях применения бесшумная и надежная работа в сочетании с легкостью эксплуатации, возможно, будет более предпочтительна, чем удельная стоимость, эффективный к.п.д. и удельная мощностьТакие двигатели могут привлечь внимание многих владельцев небольших судов.
6-6. Подводные энергетические системы
Двигатели Стирлинга могут быть применимы для различных подводных энергетических систем, где требуется либо электрическая, либо механическая энергия для периодического или непрерывного режима работы.Системы с двигателем Стирлинга с радиоизотопным источником теплоты имеют более высокий общий к.п.д. преобразования, чем конкурирующие термоэлектрические системы. Двигатели с неизотопным источником теплоты выгодны с точки зрения их универсальности для любого способа подвода тепловой энергии и способности работать бесшумно без клапанов и периодических выхлопов. В системах с подводом теплоты от сжигания топлива продукты сгорания могут быть сконденсированы в бортовом хранилище и необходимость их выброса наружу отпадает. Это позволяет сконструировать замкнутые системы, способные работать на большой глубине и не оставлять «выхлопного следа».Большая работа по усовершенствованию двигателей Стирлинга с аккумулированием теплоты для подводного применения была проделана в фирме «Дженерал моторс». Экспериментальные работы с четырехцилиндровым двигателем Стирлинга для подводных силовых систем с использованием в качестве окислителя перекиси водорода ведутся в фирме «Юнайтед Стирлинг».
6-7. Солнечные энергетические установки
Существует неограниченный рынок для небольших двигателей, работающих на солнечной энергии (для использования в тропических странах) и служащих приводом водяных насосов и электрогенераторов малой мощности, заряжающих аккумуляторы для освещения в ночное время. Эта область применения двигателей Стирлинга не нова; пример одного из первых двигателей, работавшего на солнечной энергии приводится в XIX веке.По всей вероятности, основная трудность в поставке на рынок таких двигателей заключена в их цене. В дополнению к двигателю необходимо иметь солнечный коллектор и концентратор, которые соответственно собирают солнечное излучение с большой площади и концентрируют ее на очень малую. Сфокусированный поток энергии очень велик, поэтому достигаются высокие температуры, необходимые для работы теплового двигателя. Формы коллекторов могут быть самыми разнообразными, но наиболее известной является, вероятно, параболоид (форма прожектора или рефлектора передней фары автомобиля).
6-8. Механический привод в аппаратах «искусственное сердце»
В 60-е годы искусственное сердце становится предметом внимания инженеров. Аппараты «искусственное сердце» могут быть двух типов:1) устройства, временно заменяющие функции здорового сердца;2) устройства, постоянно выполняющие функции здорового сердца.Двигатель Стирлинга может быть использован в будущих аппаратах искусственного сердца как механизм, преобразующий тепловую энергию изотопного топлива в механическую энергию.Искусственное сердце может быть спроектировано так, чтобы использовать электрическую сеть (или блок аккумуляторов) для питания электродвигателя, служащего приводом кровяного насоса. В настоящее время это невозможно, поскольку нет способов передачи через кожу электроэнергии. Решением вопроса является полностью имплантированный в тело пациента механизм с запасом изотопного топлива, обеспечивающего достаточный ресурс работы (от 3-х до 5-ти лет). Такое механическое устройство должно иметь блок, преобразующий теплоту, выделяемую изотопом, в механическую работу, используемую для привода насоса при перекачивании крови. В качестве механического преобразователя теплоты может быть применен двигатель Стирлинга.
6-9. Универсальные энергетические системы
Универсальные энергетические системы представляют собой механические агрегаты, которые, будучи снабжены топливом, воздухом и водой, могут обеспечить все энергетические потребности, включая кондиционирование воздуха, выработку электроэнергии, получение горячей и холодной воды. Для таких установок, применяемых в служебных помещениях, гостиницах, жилых домах, складах и крупных торговых центрах, обычно требуется первичный двигатель мощностью 37-370 кВт (50-500 л.с.).Ряд универсальных энергетических систем уже действует. В большинстве из них используется либо газообразное, либо жидкое топливо, а для преобразования выделившейся при сгорании части химической энергии в механическую применяется двигатель какого-либо типа. Отводимая с выхлопными газами от двигателя теплота может быть использована для отопления здания, получения пара низкого давления, для кухонь и прачечных, а также как источник теплоты в холодильной установке абсорбционного цикла, которая охлаждает воду или соляной рассол для кондиционера воздуха.В настоящее время в универсальных энергетических системах используются газотурбинные или поршневые двигатели внутреннего сгорания. Газовые турбины отличаются хорошей надежностью, но имеют очень низкую эффективность, особенно при частичной нагрузке. Поршневые газовые двигатели имеют лучшие характеристики, но недостаточно надежны, а поэтому велики их эксплуатационные расходы. Ввиду этого может оказаться, что бесшумные, эффективные двигатели Стирлинга, способные работать на различных видах топлива, найдут непосредственное применение в универсальных энергетических системах.Однако к вопросу о применении универсальных энергетических систем должен быть более осторожный подход. По более поздним представлениям такие системы малооправданны в высокоразвитых странах, где имеются дешевые и надежные источники электроэнергии, но они, вероятно, могут быть использованы в менее обжитых районах, таких, как отдаленные мотели, охотничьи и лыжные базы, полярные исследовательские станции и нефтедобывающие установки в пустыне.
З А К Л Ю Ч Е Н И Е
Возрождение интереса к двигателям Стирлинга обычно ассоциируется с деятельностью фирмы Philips. Работы по конструированию двигателей Стирлинга небольшой мощногсти начались на Philips в середине 30-х годов ХХ века. Целью работ было создание небольшого с низким уровнем шума электрического генератора с тепловым приводом для питания радиоаппаратуры в тех районах мира, где отсутствовали регулярные источники электроснабжения. В 1958 году компания General Motors заключила лицензионное соглашение с фирмой Philips, и их сотрудничество продолжалось до 1970 года. Разработки были связаны с использованием Стирлингов для космических и подводных энергетических установок, автомобилей и судов, а также для систем стационарного энергоснабжения. Шведская фирма United Stirling,сосредоточившая вначале свои работы в основном на двигателях для транспортных средств большой грузоподъемности, расширила свои интересы в области двигателей и для легковых машинИсследования двигателей Стирлинга для солнечных, космических и подводных энергетических установок, а также разработка базовых лабораторных и опытных двигателей в настоящее время широко проводятся в Германии, США, Канаде, Франции им особенно в Японии. Результатом заинтересованности общественности вопросами борьбы с шумом и загрязнением воздуха вместе с такой важной проблемой, как сохранение природных источников энергии, явился повышенный интерес к двигателям Стирлинга.В настоящее время, будущее двигателей Стирлинга представляется более перспективным. В обзорах по различным двигательным установкам для транспорта и стационарных энергетических установок двигатель Стирлинга рассматривают как обладающий возможностями для дальнейшей разработки.Низкий уровень шума, малая токсичность выхлопа, возможность работы на различном топливе, большой ресурс, сравнимые с ДВС размеры и масса, хорошие характеристики в режимах частичной нагрузки (что особенно важно для городского транспорта) и благоприятные характеристики крутящего момента – все эти параметры дают возможность бросить вызов двигателю внутреннего сгорания. Однако, двигатели с искровым зажиганием и дизели с их большим разнообразием конструкций будут являться еще достаточно сильными конкурентами до тех пор, пока высококачественное очищенное топливо остается доступным при его относительном избытке на рынке.Также нельзя сбрасывать со счетов и тот факт, что ДВС за всю свою долгую историю развития приобрели огромное число различных модификаций и усовершенствуются до сих пор, доходя порой до почти «идеальных» двигателей. Благодаря этому качеству они и занимают лидирующие позиции в среде своих возможных конкурентов. Не малую роль играют также и наши привычки: вы предпочтете купить автомобиль именно с ДВС, а не с другим каким-либо двигателем, пусть даже этот двигатель и будет работать на воздухе.Но по мере истощения природных источников энергии стремление к всеобщей экономии в энергетике станет неизбежным. Естественно, что при таких обстоятельствах двигатель Стирлинга в сочетании с подзаряжаемой теплоаккумулирующей системой может оказаться доминирующим в двигательных установках для автомобилей и вообще для транспорта.Можно с уверенностью гарантировать использование двигателей Стирлинга для стационарных энергетических систем в широком диапазоне мощностей. Очевидно, что эти двигатели найдут более широкое применение в тепловых насосах и холодильных системах.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга: Пер. с англ. – М.: Мир,1986.
2. Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга: Пер. с англ.М.: Энергия, 1978.
3. Уокер Г. Двигатели Стирлинга: Пер. с англ. – М.:Машиностроение, 1985.
4. Бреусов В. Стирлинги уже давно работают в космосе. – Журнал«Колеса» (статья).
5. Двигатели Стирлинга. Пер. с англ. Под ред. В.М.Бродянского.М.: Мир, 1975.
6. Двигатели Стирлинга / [В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А.Звонок и др.]; под ред. М.Г. Круглова. – М.: «Машиностроение»,1977.
7. «Двигатель с внешним подводом теплоты».Патент №2105156 от 23 июня 1995 г., РФ
8. «Двигатель с внешним подводом теплоты».Заявка №99110725 от 31 мая 1999 г., РФ
Приложение
1
29
www.neuch.ru
С О Д Е Р Ж А Н И Е
Стр.
В в е д е н и е.......................................…. 3
1. Что представляет собой двигатель Стирлинга?...........…. 4
2. Классификация двигателей............................ 7
3. Схема работы двигателя Стирлинга.................... .11
4. Рабочие характеристики и особенности конструкции...... .13
5. Очерк развития двигателя Стирлинга.................. .15
6. Области применения................................ 18
6-1. Автомобильные двигатели......................... .18
6-2. Криогенные газовые машины...................... 19
6-3. Рефрижераторные установки...................... 20
6-4. Электрогенераторы малой мощности...............… 20
6-5. Двигатели для морских судов...................... .21
6-6. Подводные энергетические системы................ .22
6-7. Солнечные энергетический установки............... .22
6-8. Механический привод в аппаратах «искусственное
сердце».......…….............................. 23
6-9. Универсальные энергетические системы............. 23
З а к л ю ч е н и е..................................... 25
Л и т е р а т у р а...................................… 27
П р и л о ж е н и е.................................... 28
В В Е Д Е Н И Е
На рубеже веков человечество смотрит в будущее с надеждой. Надежда эта вполне оправдана: ученая мысль не стоит на месте, напротив, предлагает все новые и новые разработки, внедряя в нашу жизнь все более экономичные, экологически безопасные и перспективные технологии.
В полной мере это касается альтернативного двигателестроения и использования так называемых «новых» альтернативных видов топлива: ветра, солнца, воды и других источников энергии.
Двигатели — сердце современной цивилизации. Они обеспечивают рост производства, сокращают расстояния. Благодаря им человек получает энергию, свет, тепло, информацию, Наиболее распространенные в настоящее время двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков: их работа сопровождается шумом, вибрациями, они выделяют вредные отработавшие газы и потребляют много топлива. Известен класс двигателей, вред от которых минимален, — это двигатели Стирлинга. Они работают по замкнутому циклу, без непрерывных микровзрывов в рабочих цилиндрах, практически без выделения вредных газов, да и топлива им требуется значительно меньше.
Двигатель Стирлинга был изобретен 21 сентября 1816г. в Эдинбурге, столице Шотландии Робертом Стирлингом. Это было приблизительно за 80 лет до дизеля, и поэтому двигатель Стирлинга пользовался значительной популярностью да начала ХХ века.
В 1816 году Стирлинг получил патент на «машину, которая производит движущую силу посредством нагретого воздуха». В 1827 и 1840 годах он получает еще два патента на усовершенствованные варианты своей машины. А в 1845 году на литейном заводе в Дании была пущена машина Стирлинга мощностью 50 индикаторных лошадиных сил, проработавшая в течение трех лет.
Долгое время после этого Двигатели Стирлинга не строились. И только в 1890 году было выпущено несколько образцов таких машин малой мощности. С конца XIX века, в связи с успехами в развитии двигателей внутреннего сгорания и отсутствия подходящих конструкционных материалов в значительной степени затруднило его дальнейшее совершенствование, интерес к двигателю Стирлинга утратился окончательно, и только с 1938 года началось ее возрождение. В 50-е годы ХХ века быстрое развитие технологии производства различных материалов вновь открыло перед двигателем Стирлинга некоторые перспективы, однако настоящий интерес к нему возродился только во времена так называемого "«энергетического кризиса». Именно тогда особенно привлекательными показались потенциальные возможности этого двигателя в отношении экономического потребления обычного жидкого топлива, что представлялось особенно важным в период роста цен на топливо в геометрической прогрессии.
1. Что представляет собой двигатель Стирлинга?
Двигатель Стирлинга — это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. Работа двигателей характеризуется
1) Высокими значениями среднего давления газа;
2) Свободным от масла рабочим пространством;
3) Отсутствием клапанного механизма;
4) Передачей тепла через стенки цилиндра или теплообменник.
Данное определение является обобщенным для большого семейства машин Стирлинга, различающихся по своим функциям, характеристикам и конструктивным схемам. Эти двигатели могут быть роторными и поршневыми различной степени сложности. Указанные машины способны работать как двигатели, тепловые насосы, холодильные установки и генераторы давления. Вместе с тем, существуют машины, работающие по открытому циклу, в которых управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов. Такие машины более точно могут быть названы двигателями Эриксона — по имени изобретателя.
Между двумя типами этих машин, как правило, не делается никакого различия, поэтому название «двигатель Стирлинга» употребляется для всех без исключения регенеративных машин.
Двигатель Стирлинга представляет собой преобразователь энергии, относящийся к типу тепловых двигателей, совершающих механическую работу на выходном валу при подводе к ним тепловой энергии. Полезная работа в рабочем цикле Стирлинга совершается, как и в других тепловых двигателях, посредством сжатия рабочего тела (гелий, водород) при низкой температуре и расширения того же рабочего тела после нагрева при более высокой температуре. Основные термодинамические процессы, протекающие в обычных тепловых двигателях: сжатие газа, поглощение тепла, расширение газа и отвод тепла, легко различимы и в цикле двигателя Стирлинга, однако имеется радикальное различие в том, как протекает процесс поглощения тепла в двигателе внутреннего сгорания (ДВС).
В ДВС распыленное топливо соединяется с окислителем, как правило воздухом, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь отдает свою энергию во время кратковременной фазы горения (сгорания), в то время как в двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник (Схема 1). Еще одним существенным различием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов или отверстий для впуска и выпуска, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя.
Скорость двигателя Стирлинга можно регулировать, изменяя количество газа в двигателе или величину среднего давления. Применяя эти средства регулирования скорости, необходимо предусмотреть клапанный механизм с соответствующей системой патрубков, примыкающих к цилиндрам, но не составляющих с ними одно целое. При этом клапанный механизм имеет другое назначение и другие характеристики по сравнению с клапанным механизмом двигателя внутреннего сгорания.
Работа двигателя Стирлинга по замкнутому циклу определяет как его преимущества, так и недостатки. Например, поскольку рабочее газообразное тело постоянно находится в полости двигателя, отвод неиспользованного тепла в атмосферу полностью осуществляется через теплообменник, в то время как в двигателях, работающих по незамкнутому циклу, производится также выпуск горячих газов из цилиндров. Поэтому по сравнению с двигателем внутреннего сгорания двигателю Стирлинга требуется более развитая система охлаждения, как это видно из структуры энергетического баланса (Схема 2). В системах, предназначенных для транспортных средств, где экономия занимаемого двигателем объема является определяющим фактором, необходимость использования радиатора с увеличенным рабочим объёмом является недостатком, в то же время это может стать преимуществом в системах, потребляющих всю энергию, и в тепловых насосах, где холодильник больших размеров может увеличить КПД системы.
Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга существенно и работа без периодических взрывов означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и тем самым более приемлемым с точки зрения социальных требований, а также перспективным для применения в военных целях.
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 энергий, аккумулированная тепловая энергия, тепловая энергия, выделяющая при горении металла, ядерная энергия и т.п. может быть использована 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.
В двигателях Стирлинга применяются регенеративные теплообменники (регенераторы), размещенные в каналах, по которым газ перемещается между горячей и холодной зонами двигательной установки. Функцией регенератора является попеременное накопление и возвращение части тепловой энергии, полученной в рабочем цикле двигателя. Передача энергии пульсирующему газовому потоку должна происходить таким образом, чтобы свести к минимуму подвод тепла к установке и в то же время поддерживать на заданном уровне мощность, снимаемую с вала. Результатом действия регенератора является возрастание КПД цикла, поэтому теплообменник такого типа — существенный элемент любого двигателя Стирлинга, рассчитанного на практическое применение.
Таким образом, правильнее определить двигатель Стирлинга как тепловой двигатель, работающий по замкнутому регенеративному циклу (Схема 3). В основе конструкции двигательной установки Стирлинга лежат принцип разделения горячей и холодной рабочих полостей и способ, с помощью которого рабочее тело направляется из одной полости в другую. Управлять эти потоком, искусственно поддерживая разность давлений в полостях, нежелательно, поскольку энергия, вырабатываемая двигателем Стирлинга, почти прямо пропорциональна давлению цикла, и, следовательно, падение давления уменьшает величину полезной механической работы, совершаемой двигателем. Поэтому для создания необходимых газовых потоков используют изменение физических объемов горячей и холодной рабочих полостей. Естественно предположить, что для этой цели требуется система поршень — цилиндр, а не система турбина — сопло. Особенно подходит такая система для создания возвратно-поступательного движения, хотя можно предположить, что роторный двигатель типа двигателя Ванкеля также пригоден для реализации принципа Стирлинга. Все двигатели Стирлинга, как уже сконструированные, так и разрабатываемые, основаны на принципе возвратно-поступательного движения. Имеются различные способы осуществления такой формы движения, и именно это помогает классифицировать различные типы двигателей Стирлинга.
2. Классификация двигателей
Предлагаемая схема классификации и идентификации двигателей Стирлинга включает следующие три признака: а) режим работы; б) способ соединения цилиндров; в) способ соединения поршней.
Каждый признак включает несколько подпризнаков и в пределах каждого подпризнака возможны еще дополнительные деления. Очевидно, что предлагаемая схема не сможет охватить всех форм двигателя, однако классификация по трем основным признакам могла бы в конечном свете помочь систематизировать все существующие и будущие его формы.
а. Режим работы
Выделены следующие шесть режимов работы двигателей Стирлинга:
1а) двойного действия;
1б) простого действия;
2а) однофазный;
2б) многофазный;
3а) резонансный;
3б) нерезонансный.
Термины «однофазный» и «многофазный» относятся к физическому состоянию рабочего тела. До появления «мокрого» «Флюидайна» не было необходимости в описании фазового состояния, однако после успешной разработки «Флюидайна» ряд исследований выявил преимущества использования многофазного рабочего тела и в двигателях Стирлинга других видов. Аналогично с изобретением свободнопоршневых форм двигателя потребовалось выделение третьей группы режимов работы. Такие двигателя могут работать при скоростях, соответствующих резонансной частоте упругой системы, которой является такой двигатель, или же в нерезонансном режиме, известном также как режим «банг-банг». Двигатели «Флюидайн» также могут быть рассчитаны на работу при резонансной частоте системы. В двигателях с обычными кривошипно-шатунными механизмами необходимо избегать резонансных режимов. Поэтому третья группа режимов обладает меньшей степенью общности, чем первые две. Итак, конкретный двигатель может быть описан при помощи комбинаций трех терминов из шести, как показано на схеме 4.
б. Способ соединения цилиндров.
Классификация по второму признаку включает в себя классификацию, раннее предложенную Керкли и Уокером. Эта классификация идентифицирует способ компоновки пары вытеснитель-поршень по отношению к рабочим полостям переменного объема. Имеются три типа соединения цилиндров:
1) альфа;
2) бета;
3) гамма.
Соединение альфа включает группу двигателей с двумя отдельными цилиндрами, в каждом из которых имеется уплотненный в нем поршень.
Горячий и холодный переменные объемы формируются независимо друг от друга при движении соответствующих поршней. В двигателе с компоновкой бета имеется один цилиндр, в котором последовательно расположены поршень и вытеснитель, а переменный холодный объем образуется при совместном движении поршня и вытеснителя. Соединение гамма – это в той или иной мере гибрид компоновок альфа и бета, в котором имеются два отдельных цилиндра, как в способе альфа, однако переменный холодный объем образуется способом бета. Эти три типа соединения цилиндров показаны на рисунке 1на примере двигателей с обычным кривошипно-шатунным приводом.в. Способ соединения поршней
Способ соединения поршней является дополнительным классификационным признаком. Этот признак подразделяется на более детальные признаки, примеры которых даны ниже. В двигателях Стирлинга применяются три основные формы соединения поршней:
1) жесткое соединение;
2) соединение через газ;
3) соединение через жидкость.
В двигателях с жестким соединением используются недеформированные механические звенья, соединяющие движущиеся возвратно-поступательно элементы, которые определяют последовательность изменений объемов в цилиндрах, а также образуют механизм для отвода энергии от двигателя. Типичные механизмы, которые относятся к жестким соединениям, следующие:
а) кривошипно-шатунный механизм;
б) ромбический привод;
в) косая шайба;
г) кривошипно-кулисный;
д) кривошипно-балансирный механизм;
е) механизм Росса.
Изобретение двигателя Била и харуэллской машины потребовало введения в классификацию соединения через газ. В этих двигателях взаимное положение поршней определяется газовой динамикой, а не механическими устройствами. Имеется много разновидностей соединения этого типа, например:
а) свободнопоршневой двигатель;
б) двигатель со свободным вытеснителем;
в) двигатель со свободным цилиндром.
Последний тип соединения поршней – соединение через жидкость. Необходимо, однако, подчеркнуть, что использование в двигателе Стирлинга жидкого рабочего тела не обязательно означает, что поршни соединяются через жидкость. Например, в двигателе Стирлинга-Мелоуна поршни соединены жестким механизмом. В соединении через жидкость поршни действительно должны соединяться через жидкость. В настоящее время только двигатели "«Флюидайн» попадают в эту категорию. Имеются, по крайней мере три способа, которыми осуществляется соединение через жидкость:
а) с помощью реактивной струи;
б) с помощью качающегося стержня;
в) с помощью разности давлений.
Три основных классификационных признака можно также использовать для точной классификации гибридных двигателей, в которых, например, рабочий поршень жестко соединен с выходным валом, однако рабочий поршень и вытеснитель соединены друг с другом через газ. Тем не менее новые формы двигателей могут потребовать дальнейшего расширения предлагаемой классификации. Чтобы проиллюстрировать применение предлагаемой классификационной схемы, втаблице 1 приведена классификация по этой схеме хорошо известных двигателей Стирлинга.
Такая система может показаться несколько усложненной, однако простая система оказалась недостаточной для охвата всего разнообразия форм двигателей. В будущем могут быть подобраны подходящие условные обозначения, с помощью которых станет возможным создать методику стенографической классификации. Предлагаемая классификационная схема в полном объеме представлена на схеме 5.
| Двигатель | Описание в соответствии с классификацией |
| Фирмы «Филипс» с ромбическим приводом | Простого действия, однофазный, нерезонансный, типа бета, с жёстким соединением поршней |
| Р-40 фирмы «Юнайтед Стирлинг» | Двойного действия, однофазный, нерезонансный, типа альфа, с жёстким соединением поршней |
| «Мокрый» «Флюидайн» с реактивной струёй | Простого действия, многофазный, резонансный, типа альфа, с соеди- нением поршней через жидкость |
| Свободнопоршневой Била | Простого действия, однофазный, резонансный, типа бета, с соединением поршней через газ |
| Хенричи | Простого действия, однофазный, нерезонансный, типа гамма, с жёстким соединением поршней |
Таблица 1. Классификация двигателя Стирлинга.
Эта схема не только позволит классифицировать и идентифицировать существующие двигатели, но и окажется пригодной для качественной оценки различных форм двигателей, которые могут быть созданы в будущем.
3. Схема работы двигателя Стирлинга
Перечислим основные особенности работы двигателя:
1. В двигателе Стирлинга происходит преобразование тепловой энергии в механическую посредством сжатия постоянного количества рабочего тела при низкой температуре и последующего (после периода нагрева) его расширения при высокой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию.
2. В принципе при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.
3. Необходимое изменение рабочего тела обеспечивается наличием разделенных холодной и горячей полостей, по соединительным каналам между которыми под действием поршней перемещается рабочее тело.
4. Изменения объема в этих двух полостях должны не совпадать по фазе, а получающиеся в результате циклические изменения суммарного объема в свою очередь не должны совпадать по фазе с циклическим изменением давления. Это — условие получения механической энергии на валу двигателя.
Таким образом, принцип Стирлинга – это попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном пространстве рабочего тела.
Известно, что Стирлинг использовал периодическое изменение температуры газа, применив вытеснительный поршень (в дальнейшем называемый вытеснителем). Вытеснитель заставляет перемещаться газ в одну из двух полостей цилиндра, одна из которых находится при постоянно низкой, а другая при постоянно высокой температуре. При движении вытеснителя вверх газ по каналам нагревателя и холодильника перемещается из горячей полости в холодную. При движении вытеснителя вниз газ возвращается тем же путем в горячую полость. В первом случае газ должен отдавать большое количество тепла холодильнику. Во втором — получать от нагревателя равное количество тепла. Регенератор, предназначенный для предотвращения потерь тепла, располагается между нагревателем и холодильником. Он представляет собой некую полость, заполненную пористым материалом, которому горячий газ до поступления в холодильник отдает тепло. Когда же газ течет обратно, регенератор возвращает ему запасенное тепло до того, как газ поступает в нагреватель.
Система вытеснителя, обеспечивающая периодичность нагрева и охлаждения газа, соединена с рабочим поршнем (в дальнейшем называемым поршнем), который сжимает газ в холодной полости и позволяет ему расширяться в горячей. Поскольку сжатие газа происходит в полости с более низкой температурой, чем расширение, то получается полезная работа. На рисунке показаны четыре цикла, через которые проходит вся система, предполагая, что поршень и вытеснитель двигаются прерывисто. Движения поршня и вытеснителя в двигателе практически непрерывны. Их непрерывное движение обеспечивается посредством кривошипно-шатунного механизма. В этом случае невозможно обнаружить резких границ между четырьмя стадиями цикла, и сам цикл принципиально не меняется, и его КПД не уменьшается.
Таким образом, двигатель Стирлинга представляет собой поршневую машину с внешним подводом тепла, в котором рабочее тело постоянно находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.
Предполагается, что движения поршня и вытеснителя — прерывистые. Тогда весь цикл можно разделить на четыре стадии (рис.2.):
I — Поршень находится в крайнем нижнем положении, а вытеснитель — в крайнем верхнем. Весь газ — в холодной полости;
II — Вытеснитель остается в верхнем положении. Поршень сжимает газ при низкой температуре;
III — Поршень остается в крайнем верхнем положении. Вытеснитель переталкивает газ из холодной полости в горячую;
IV — Нагретый газ расширился. Поршень и вытеснитель находятся в своих крайних нижних положениях. В то время как поршень остается на месте, вытеснитель переталкивает газ в холодную полость. Потом цикл повторяется.Для подвода тепловой энергии можно использовать любой источник тепла: солнечную энергию, биотопливо, ядерную энергию, электроэнергию и проч. В качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно используется воздух, гелий или водород. Идеальный термодинамический цикл двигателя Стирлинга обладает термическим КПД, равным максимально возможному теоретическому и составляет 30-40%. КПД двигателя остается почти постоянным в широком диапазоне условий его работы. Но следует учитывать, что двигатель Стирлинга может работать с высоким КПД только при наличии эффективного регенератора. Наиболее эффективно двигатель работает при постоянных значениях скорости и мощности.
Нагрев, охлаждение и регенерация рабочего тела в двигателе осуществляется с помощью встроенных теплообменников, которые должны работать в среде, не содержащей масел, что предотвращает их засорение. В двигателе расходуется довольно малое количество смазочных материалов. Среднее давление в цилиндре, как правило, находится в пределах 10...20 МПа. При таких колебаниях давления требуется совершенная система уплотнений для предотвращения утечки рабочего тела в картер (проблема, особенно сложная при использовании гелия или водорода), а также попадания смазочных материалов в рабочие полости, что может вызвать увеличение потери давления и снижение выходной мощности.
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. Для нагрева рабочего тела применяют непрерывный процесс горения, что позволяет сжигать различные виды топлива, которые, эффективно сгорая, не создают опасности попадания твердых частиц из топлива, окислителя или окружающего пространства в рабочие цилиндры. При использовании для сжигания жидкого топлива непрерывное горение можно легко регулировать, в результате чего резко снижается уровень выбросов, особенно несгоревших углеводородов и окиси углерода. Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов в цилиндрах означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и перспективным для применения в военных целях.
Отношение мощности к массе у двигателя Стирлинга сопоставимо с аналогичным показателем дизельного двигателя с турбонаддувом. Удельная мощность на выходе такая же, как и у дизельного двигателя. Крутящий момент практически не зависит от скорости. Двигатель Стирлинга реагирует на изменения нагрузки аналогично дизелю, однако требует более сложной системы регулировки, он более сложен, чем обычные тепловые двигатели. Стоимость его изготовления выше стоимости изготовления ДВС, однако, расходы на эксплуатацию гораздо меньше.
4. Рабочие характеристики и особенности конструкции
1.Мощность, вырабатываемая двигателем Стирлинга, как
показывает практика, почти прямо пропорциональна среднему давлению цикла. Поэтому, чтобы получить высокие значения абсолютной и удельной мощности, давление в двигателе должно составлять 10-20 МПа. Такие высокие значения давления создают специфические проблемы при проектировании двигателей. Особую трудность представляет решение проблем, связанных с
— герметизацией рабочего тела;
— напряжениями в теплообменнике;
— нагрузками на подшипники и детали механизма привода.
Поскольку величина давления влияет на развиваемую мощность, управление изменением давления позволяет регулировать крутящий момент двигателя.
2. КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. КПД двигателя почти не зависит от скорости двигателя при условии, что температура в трубках нагревателя не изменяется во всем диапазоне рабочих режимов двигателя и температура в холодильнике не возрастает. Температуру в трубках нагревателя следует поддерживать на возможно более высоком уровне. При повышении температуры охлаждающей жидкости на один градус КПД двигателя падает на 0,5%. Вследствие непрерывного воздействия высоких температур для обеспечения длительного срока службы требуются высококачественные сплавы.
3. Нерабочие объемы в двигателе Стирлинга теоретически могут быть сведены к нулю, однако на практике они достигают 50% внутреннего объема, занимаемого газом. Такая величина мертвого объема необходима для размещения теплообменника и обеспечения достаточной площади поверхности теплообмена. Мертвый объем снижает выходную мощность двигателя; влияние же его величины на КПД двигателя неоднозначно и зависит от местоположения этого объема. Изменением мертвого объема при работе двигателя можно регулировать вырабатываемую мощность.
4. С увеличением рабочего объема возрастает выходная мощность двигателя при условии, что давление и температура постоянны. Не существует никакой эмпирической зависимости, связывающей рабочий объем и выходную мощность. Заданный рабочий объем обеспечивается при отношении диаметра цилиндра к ходу поршня, близком к 2, что дает оптимальное соотношение между потерями на теплопередачу и на трение в уплотнениях.
5. С ростом скорости двигателя потери на сопротивление газа приобретают решающее значение, поскольку они пропорциональны квадрату скорости. Для уменьшения этих потерь в качестве рабочего тела используют газы с малой молекулярной массой, такие, как гелий и водород.
6. Для обеспечения стабильности выходной мощности изменения объема полости расширения должны опережать изменения объема полости сжатия. Для получения оптимальной выходной мощности это опережение должно соответствовать фазовому углу 90.
7. Выбор рабочего тела зависит исключительно от конкретного назначения двигателя, поскольку один и тот же КПД можно получить безотносительно к рабочему телу при условии, что конструкция двигателя оптимальна по отношению к выбранному рабочему телу. Однако для получения более высоких удельных мощностей требуются более легкие газы.
8. Двигатель Стирлинга по своей природе обладает низким уровнем шума. Механический и аэродинамический шумы этого двигателя существенно ниже, чем у его конкурентов. Однако, чем выше давление цикла, тем выше шум, вызываемый работой двигателя. По сравнению с сопоставимым дизельным двигателем уровень аэродинамического шума двигателя Стирлинга ниже на 18 дБ. Основным источником шума современных двигателей Стирлинга являются синхронизирующие зубчатые колеса и нагнетатель воздуха.
9. В двигателях Стирлинга можно использовать источники энергии, не производящие никаких загрязняющих атмосферу выбросов. Даже при использовании природных топлив присущей этим двигателям устойчивый процесс горения позволяет значительно понизить уровень концентрации токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу, по сравнению с уровнями концентрации таких веществ, выбрасываемых другими двигателями, при условии, что предусмотрены специальные меры для снижения температуры ниже порога образования окислов азота. Автомобильный двигатель Стирлинга является в настоящее время единственной энергосиловой установкой, удовлетворяющей жестким стандартным по допустимым уровням содержания токсичных веществ в автомобильных выбросах.
10. Доля энергии цикла, которая отводится через холодильник, в двигателе Стирлинга на 60-250% выше, чем в обычных поршневых двигателях. Чтобы справиться с такой тепловой нагрузкой, необходимы радиаторы больших размеров. В тех случаях, когда установка предназначена для использования всех видов вырабатываемой энергии, это может дать двигателю Стирлинга дополнительные преимущества.
11. Энергосиловая установка автомобиля с двигателем Стирлинга имеет большие перспективы с точки зрения устранения выбросов, загрязняющих окружающую среду, уменьшения расхода топлива и соответственно снижения затрат на эксплуатацию.
5. Очерк развития двигателей Стирлинга
Роберт Стирлинг постоянно совершенствовал свой двигатель, работающий на подогретом воздухе. К 1908г. двигатель Стирлинга был уже настолько усовершенствован, что по обе стороны Атлантического океана широко использовались регенератор и принцип двойного действия в нем. Обсуждение возможных областей применения и перспектив этого двигателя регулярно проводилось в известных журналах, таких, как «труды института инженеров-механиков». С середины XIX в. и до начала первой мировой войны воздушно-тепловые двигатели как с разомкнутым, так и с замкнутым циклов имели значительный коммерческий успех, удовлетворяя технические потребности человечества в чрезвычайно широком диапазоне -–от энергетических установок на судах до приводов швейных машин, насосов и агрегатов для подачи воздуха в церковные органы. Эта последняя область применения была, пожалуй, первым случаем, когда основанием для применения двигателя была бесшумность его работы
Еще в 1908 г. была предложена солнечная установка для привода водяного насоса с помощью двигателя Стирлинга. Популярность водяных насосов подтверждалась наличием в фирменных каталогах рекомендаций, подписанных такими известными личностями, как король Эдуард VII. Но несмотря на этот успех, к 20-м годам нашего века интерес к двигателям Стирлинга угас.
Этапы разработки двигателей Стирлинга можно проследить начиная с 1818г., однако наибольшее внимание уделяется совершенствованию двигателей Стирлинга начиная с 1938г. Разработка конструкций двигателей Стирлинга с этого времени прошла через определенные этапы. Одной из фирм, проводивших исследования в области совершенствования двигателей была фирма «Филипс».
1937-1938 гг.
Фирма «Филипс» проявляет интерес к двигателям с замкнутым циклом, работающим на подогретом воздухе и предназначенным для электрогенераторов малой мощности.
1938-1947 гг.
Создано несколько опытных образцов двигателей с лучшими характеристиками по сравнению с двигателями 30-х годов.
1948-1953 гг.
Внимание переключается на холодильные машины. Выясняется, что применение газов с малыми молекулярными массами улучшает рабочие характеристики. Тем не менее продолжается исследование и разработка Двигателей – источников механической энергии как простого, так и двойного действия, Интерес к ним проявляют фирмы «Форд» (США) и «Дженерал моторс». Резкий скачок в разработке двигателя Стирлинга был сделан в 1953 г., когда Мейер изобрел ромбический привод, что позволило использовать более высокие рабочие давления. Развитие конструкций двигателей- источников механической энергии и холодильных машин пошло различными путями.
1954-1958 гг.
В течение этого периода было построено и испытано много двигателей с ромбическим приводом, при этом в двигателе 1-365 с водородом в качестве рабочего тела среднее давление цикла достигло 14 МПа. С использованием газа при высоких давлениях возникла проблема надежности уплотнений. Чугунные поршневые кольца не подходили из-за значительной утечки масла. Уплотнения сальникового типа для картера также оказались неподходящими. Было разработано уплотнение поршня с плотной посадкой. Поршень изготавливался с нанесенными на нем кольцевыми слоями сплава олова, свинца и сернистого молибдена. Затем поршень при сильном охлаждении вставлялся в цилиндр. В 1957 году «Дженерал моторс» вновь проявляет интерес к Двигателю Стирлинга и работам фирмы «Филипс». И в ноябре 1958 года между ними заключается соглашение по предоставлению лицензии сроком на 10 лет.
1958-1962 гг.
« Филипс» продолжает работу над двигателем 1-98 с ромбическим приводом. Было построено свыше 30 вариантов этого двигателя.
В этот период времени были намечены три основных области применения двигателей Стирлинга, в которых фирма «Дженерал моторс» намеревалась проводить дальнейшую работу: подвесной мотор для судов, генератор для спутников, работающий на солнечной энергии, и компактный генератор ГПУ (англ). GPU-GroundPowerUnit) для работы в полевых условиях для армии США. Другие возможные области применения включали силовые установки для речных и каботажных морских судов, подводных лодок и железнодорожного транспорта.
Первым двигателем, который испытывался фирмой «Дженерал моторс», был одноцилиндровый двигатель мощностью 23 кВт с плотной посадкой поршня в цилиндре.
1963-1968 гг.
Изобретение ромбического привода и уплотнения типа «скатывающийся чулок», а также усовершенствования процесса сгорания, теплообменников и систем регулирования позволили приступить к созданию более мощных двигателей. Продолжалась интенсивная работа с двигателем ГПУ, и его мощность была доведена до 9 кВт. Кроме того, и «Филипс», и «Дженерал моторс» провели исследования и построили двигатели мощностью 200 кВт. Использовались они на морских судах, на автобусах, в военно-морских силах США.
Продолжались работы и над двигателем простого действия, которые интенсивно вела фирма «Дженерал моторс». Они построили и провели испытания двигателя PD67 для спутника. В 1964 г. на автомобиле марки «Кал вер» был испытан двигатель Стирлинга мощностью 23 кВт, тепловая энергия, для которого поступала от теплового аккумулятора энергии на основе окиси алюминия.
В этот же период были начаты исследования свободнопоршневых двигателей и двигателей с жидкими поршнями. Были созданы и испытаны с разной степенью успеха опытные образцы таких двигателей. Работы по свободнопоршневым двигателям проводились в различных институтах США.
1968-1978 гг.
Это был период интенсивных исследований, однако, без крупных достижений. Работа над автомобильным двигателем Стирлинга не прекратилась, и ее продолжали фирмы «Форд» и «Филипс» в соответствии с соглашением, подписанным в 1972г. Шведская фирма «Юнайтед Стирлинг» также совершенствовала свои автомобильные двигатели, предназначенные для тяжелых грузовиков и автобусов. Объединение MAN-MWM не раскрыло предполагаемую область применения своих двигателей, однако, предполагалось, что эти двигатели предназначены для военно-морских судов.
К концу рассматриваемого периода были достигнуты значительные успехи в разработке двигателя Стирлинга, работающего на жидком природном топливе и предназначенного для использования на легковых и грузовых автомобилях.
Успешные испытания двигателей серии Р фирмы «Юнайтед Стирлинг», в которых использовался U-образный кривошипный привод Рикардо, вызвали интерес многих фирм. Помимо автомобильного транспорта были рассмотрены другие области применения, такие, как электрические генераторы, использующие солнечную энергию, установки для подводных лодок и дистанционного управляемые стационарные электрогенераторы, работающие не на жидком топливе.
Работы над свободнопоршневым двигателем в этот период достигли такого уровня развития, что стало возможным приступить к коммерческому выпуску двигателей. Были предприняты работы по совершенствованию двигателя с целью использования его на Индийском субконтиненте. Изучались также возможности использования «сухой» модификации этого двигателя, работающего на угле.
Период, начиная с 1978г.
Основное направление работ переключилось с двигателя с качающей шайбой на энергосиловую установку Р-40 с U-образным кривошипным приводом. Интенсивность исследований, связанных с двигателем Стирлинга, с 1978 г. возросла примерно в 10 раз, однако все усилия были направлены в основном на доводку существующих конструкций, а не на разработку новых. Нельзя, конечно, утверждать, что работа над новыми конструкциями вообще не велась. Но направление работ во всех областях в большей степени ориентировалось на создание промышленных образцов двигателей, поскольку почти все программы ориентированы на определенную область применения двигателя Стирлинга.
6.Области применения
Двигатель Стирлинга можно использовать во всех областях, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую. В самом деле, почти нельзя назвать ни одной сколько-нибудь серьёзной области потенциального применения двигателя Стирлинга, в которой уже не было бы предпринято попытки его использования или по крайней мере такая возможность не изучалась. При этом нельзя выделить каких-то необычных областей применения, поскольку во всех случаях имеются альтернативные источники механической энергии аналогичного назначения. По рабочим характеристикам или приспособленности альтернативные установки могут уступать двигателю Стирлинга, однако нет оснований утверждать, что двигатель Стирлинга – это единственно подходящий источник механической энергии для данной области применения, хотя было бы трудно, например, представить паровую турбину или дизельный двигатель в качестве привода искусственного сердца. Развитие двигателей Стирлинга, как и других источников механической энергии, стимулировалось, как правило, техническими и социально-экономическими требованиями времени. Так, например, о возможности использования двигателя Стирлинга на автомобиле особенно не задумывались до 1962г., когда общество начало испытывать беспокойство по поводу загрязнения окружающей среды, и только в 70- годах, в условиях энергетического кризиса, влияние которого ощущается еще и сейчас, в программы совершенствования автомобильных двигателей Стирлинга начали вкладывать значительные средства.
Первоначально предполагавшееся фирмой «Филипс» применение двигателей Стирлинга в качестве составной части портативных электрогенераторов не состоялось из-за быстрого совершенствования других устройств, предназначенных для той же цели, однако в настоящее время под воздействием экономических факторов эта область применения вновь привлекает внимание. Области применения, в которых двигатель Стирлинга использовался в XIX веке и был в конечном счете вытеснен, теперь изучаются вновь. Поэтому нецелесообразно перечислять отдельные случаи применения двигателя Стирлинга в хронологической последовательности.
6-1. Автомобильные двигатели
Новейший усовершенствованный двигатель Стирлинга- продукт совместных усилий многих областей техники. Исследовательская лаборатория фирмы «Филипс», вероятно, единственная в мире, объединяющая передовую технологию с дальновидностью руководства, что позволяет ей длительное время проводить исследования по двигателям Стирлинга в широком масштабе. Ежегодно только в этой фирме в разработке двигателей внутреннего сгорания участвуют тысячи инженеров. То что фирма «Филипс» в относительно короткое время и с относительно малым штатом смогла создать двигатели Стирлинга с высокими характеристиками, представляется для других фирм невероятным; принимая все это во внимание, было рискованно пытаться предвидеть будущее развитие.
Сомнительно, чтобы двигатель Стирлинга, если исходить только из экономических показателей, мог бы когда-нибудь составить конкуренцию дизелю в любых уже установившихся областях применения. Однако сейчас вопрос об использовании двигателей уже поднимается на основании только одних технико-экономических показателей. Социальные аспекты техники становятся все более важными; это особенно видно из того, что общество уделяет пристальное внимание проблеме загрязнения воздуха выхлопными газами автомобильных двигателей. Известно, что интерес к этому вопросу особенно высок в США, где наиболее велика мощность автомобильных двигателей. В то же время фирма «Филипс» уже убедительно продемонстрировала значительное уменьшение шума и загрязнения воздуха при применении двигателей Стирлинга для автомобилей. Возможно, что под действием общественности будут приняты более жесткие стандарты, контролирующие загрязнение воздуха, а от дизелей и бензиновых двигателей внутреннего сгорания потребуют таких норм по уменьшению вредных составляющих в выхлопных газах, что двигатели фирмы «Филипс» будут конкурентоспособны. Вероятность такой ситуации вполне реальна, и, без сомнения, это и есть основание для фирмы «Филипс» и ее субподрядчиков обратить особое внимание на разработку автомобильных двигателей мощностью 73,5 кВт (100 л.с.) и 147 кВт (200 л.с.). Последующие несколько лет должны быть переломными в этом вопросе, но к 1980 г. двигатели Стирлинга на грузовиках могут быть уже не новостью.
6-2. Криогенные газовые машины
Интерес фирмы «Филипс» к криогенным машинам, работающим по обратному циклу Стирлинга, проявился случайно и был побочным успехом при разработке двигателей на ранней стадии их развития. Семейство криогенных машин фирмы «Филипс» разрабатывалось под руководством Кёллера, и теперь они занимают ведущее место в любом каталоге малых и средних криогенных установок. Эти машины привели к развитию и соответствующего криогенного оборудования. Типы криогенных газовых машин, предлагаемых покупателю фирмой «Филипс», охватывают широкий диапазон от миниатюрных машин с холодопроизводительностью в доли ватта до больших промышленных агрегатов с холодопроизводительностью в несколько киловатт.
С появлением сверхпроводящих материалов, работающих при более высоких температурах, и возрастающем использовании инфракрасной техники, вероятно, появятся разнообразные возможности для применения небольших криогенных машин. Для этих целей потребуются меньшие по габаритам, более дешевые и более надежные машины, чем существуют в настоящее время.
Одним из наиболее перспективных направлений использования криогенных газовых машин Стирлинга, является создание гаражных заправочных пунктов по получению сжиженного природного газа, сжиженного биометана и сжиженного шахтного метана, расположенных непосредственно у пользователей. Производительность гаражных пунктов, созданных на основе отечественных и зарубежных КГМ Стирлинга, колеблется в пределах от 10 до 700 кг/ч криогенного продукта. Сжиженные метаносодержащие газы являются наиболее перспективными моторными топливами, альтернативными традиционным нефтяным топливам.
6-3. Рефрижераторные установки
Машины Стирлинга могут обеспечить охлаждение на любом температурном уровне в диапазоне от температуры окружающей среды до уровня, близкого к абсолютному нулю. Они с успехом работают в криогенных рефрижераторных установка при температурах, меньших 100 К. При более высоких температурах они практически неизвестны, хотя, собственно, нет никаких технических оснований не применять их для охлаждения при температурах, близких к температуре окружающей среды.
В 1959 г. Финкельштейном и Полянски было проведено равнение характеристик двухцилиндровой машины Стирлинга и обычной холодильной машины. Они определили, что производительность машины Стирлинга при температуре более 230К ниже, чем обычной, но она увеличивается по мере понижения температуры. Были исследованы возможности передвижных систем охлаждения с циклом Стирлинга. Основываясь на установке, работающей по схеме Рини с приводом от косой шайбы можно предположить значительную экономию в массе и габаритах без снижения характеристик по сравнению с обычными парокомпрессионными машинами. По-видимому, установки такого типа представляются перспективными для систем кондиционирования воздуха на железнодорожном транспорте, автомобильном, а также для систем охлаждения на военно-транспортных машинах и военно-морских судах.
6-4. Электрогенераторы малой мощности
Существует много областей применения для электрогенераторов малой мощности, способных работать автономно в отдаленных районах в течение длительного времени. Уровень их мощности колеблется от 5 Вт до 5 кВт, но особый интерес представляет диапазон от 200 до 500 Вт. Такие электрогенераторы требуются для многих целей, но в основном для снабжения электроэнергией систем навигации, таких как маяки и буи, автоматические метеостанции, а также для телеметрии и станций усиления связи. Они могут быть использованы под водой как для гражданских, так и для военных целей, в горах, в недоступных районах Арктики и в аварийных навигационных ситуациях. В качестве местного топлива для стирлинг-генераторов может использоваться торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Для большинства областей применения главным критерием является надежность. Практических ограничений по массе, габаритам и частоте вращения для таких энергоустановок нет. Так же не важны режимы пуска и останова, поскольку в большинстве случаев имеется возможность подключения системы аккумуляторных батарей для отвода избыточной мощности (например, ночью), в то время как электрогенератор продолжает вырабатывать постоянную мощность в устойчиво режиме. Регулирование и контроль за работой двигателя не являются серьезной проблемой. В большинстве случаев предпочтительней (и легче) регулировать электрические параметры системы, чем параметры самого двигателя.
6-5. Двигатели для морских судов
Использование двигателей Стирлинга для морских судов заслуживает внимания, поскольку легкодоступный источник охлаждения позволяет решить одну из главныхтрудностей, имеющуюся у автомобильных двигателей Стирлинга. Это обстоятельство было отмечено фирмой «Филипс» на ранних стадиях разработок, и одним из первых практических применений двигателя стал крейсерский катер «Иоганн де Вит», на котором была продемонстрирована работоспособность двигателя.
Будущие возможные области применения двигателей Стирлинга фирмы «Филипс» мощностью около нескольких сотен киловатт как для военных, так и для гражданских целей намечаются всякий раз, когда используемые сейчас дизели становятся непригодными по уровню шума, вибрации и загрязнения воздуха. Вероятно, для очень больших мощностей могут быть разработаны двигатели Стирлинга с характеристиками современных судовых дизелей. Однако производство таких двигателей маловероятно по причине большой стоимости их разработок и способности дизелестроительных фирм удовлетворять в настоящее время сравнительно небольшой спрос на эти двигатели.
С другой стороны, вероятно, имеется и потребность в двигателях малой мощности (от 5 кВт и выше) для получения электроэнергии и применения их во вспомогательных силовых установках, а также на небольших судах. В этих областях применения бесшумная и надежная работа в сочетании с легкостью эксплуатации, возможно, будет более предпочтительна, чем удельная стоимость, эффективный к.п.д. и удельная мощность
Такие двигатели могут привлечь внимание многих владельцев небольших судов.
6-6. Подводные энергетические системы
Двигатели Стирлинга могут быть применимы для различных подводных энергетических систем, где требуется либо электрическая, либо механическая энергия для периодического или непрерывного режима работы.
Системы с двигателем Стирлинга с радиоизотопным источником теплоты имеют более высокий общий к.п.д. преобразования, чем конкурирующие термоэлектрические системы. Двигатели с неизотопным источником теплоты выгодны с точки зрения их универсальности для любого способа подвода тепловой энергии и способности работать бесшумно без клапанов и периодических выхлопов. В системах с подводом теплоты от сжигания топлива продукты сгорания могут быть сконденсированы в бортовом хранилище и необходимость их выброса наружу отпадает. Это позволяет сконструировать замкнутые системы, способные работать на большой глубине и не оставлять «выхлопного следа».
Большая работа по усовершенствованию двигателей Стирлинга с аккумулированием теплоты для подводного применения была проделана в фирме «Дженерал моторс». Экспериментальные работы с четырехцилиндровым двигателем Стирлинга для подводных силовых систем с использованием в качестве окислителя перекиси водорода ведутся в фирме «Юнайтед Стирлинг».
6-7. Солнечные энергетические установки
Существует неограниченный рынок для небольших двигателей, работающих на солнечной энергии (для использования в тропических странах) и служащих приводом водяных насосов и электрогенераторов малой мощности, заряжающих аккумуляторы для освещения в ночное время. Эта область применения двигателей Стирлинга не нова; пример одного из первых двигателей, работавшего на солнечной энергии приводится в XIXвеке.
По всей вероятности, основная трудность в поставке на рынок таких двигателей заключена в их цене. В дополнению к двигателю необходимо иметь солнечный коллектор и концентратор, которые соответственно собирают солнечное излучение с большой площади и концентрируют ее на очень малую. Сфокусированный поток энергии очень велик, поэтому достигаются высокие температуры, необходимые для работы теплового двигателя. Формы коллекторов могут быть самыми разнообразными, но наиболее известной является, вероятно, параболоид (форма прожектора или рефлектора передней фары автомобиля).
6-8. Механический привод в аппаратах «искусственное сердце»
В 60-е годы искусственное сердце становится предметом внимания инженеров. Аппараты «искусственное сердце» могут быть двух типов:
1) устройства, временно заменяющие функции здорового сердца;
2) устройства, постоянно выполняющие функции здорового сердца.
Двигатель Стирлинга может быть использован в будущих аппаратах искусственного сердца как механизм, преобразующий тепловую энергию изотопного топлива в механическую энергию.
Искусственное сердце может быть спроектировано так, чтобы использовать электрическую сеть (или блок аккумуляторов) для питания электродвигателя, служащего приводом кровяного насоса. В настоящее время это невозможно, поскольку нет способов передачи через кожу электроэнергии. Решением вопроса является полностью имплантированный в тело пациента механизм с запасом изотопного топлива, обеспечивающего достаточный ресурс работы (от 3-х до 5-ти лет). Такое механическое устройство должно иметь блок, преобразующий теплоту, выделяемую изотопом, в механическую работу, используемую для привода насоса при перекачивании крови. В качестве механического преобразователя теплоты может быть применен двигатель Стирлинга.
6-9. Универсальные энергетические системы
Универсальные энергетические системы представляют собой механические агрегаты, которые, будучи снабжены топливом, воздухом и водой, могут обеспечить все энергетические потребности, включая кондиционирование воздуха, выработку электроэнергии, получение горячей и холодной воды. Для таких установок, применяемых в служебных помещениях, гостиницах, жилых домах, складах и крупных торговых центрах, обычно требуется первичный двигатель мощностью 37-370 кВт (50-500 л.с.).
Ряд универсальных энергетических систем уже действует. В большинстве из них используется либо газообразное, либо жидкое топливо, а для преобразования выделившейся при сгорании части химической энергии в механическую применяется двигатель какого-либо типа. Отводимая с выхлопными газами от двигателя теплота может быть использована для отопления здания, получения пара низкого давления, для кухонь и прачечных, а также как источник теплоты в холодильной установке абсорбционного цикла, которая охлаждает воду или соляной рассол для кондиционера воздуха.
В настоящее время в универсальных энергетических системах используются газотурбинные или поршневые двигатели внутреннего сгорания. Газовые турбины отличаются хорошей надежностью, но имеют очень низкую эффективность, особенно при частичной нагрузке. Поршневые газовые двигатели имеют лучшие характеристики, но недостаточно надежны, а поэтому велики их эксплуатационные расходы. Ввиду этого может оказаться, что бесшумные, эффективные двигатели Стирлинга, способные работать на различных видах топлива, найдут непосредственное применение в универсальных энергетических системах.
Однако к вопросу о применении универсальных энергетических систем должен быть более осторожный подход. По более поздним представлениям такие системы малооправданны в высокоразвитых странах, где имеются дешевые и надежные источники электроэнергии, но они, вероятно, могут быть использованы в менее обжитых районах, таких, как отдаленные мотели, охотничьи и лыжные базы, полярные исследовательские станции и нефтедобывающие установки в пустыне.
З А К Л Ю Ч Е Н И Е
Возрождение интереса к двигателям Стирлинга обычно ассоциируется с деятельностью фирмы Philips. Работы по конструированию двигателей Стирлинга небольшой мощногсти начались на Philips в середине 30-х годов ХХ века. Целью работ было создание небольшого с низким уровнем шума электрического генератора с тепловым приводом для питания радиоаппаратуры в тех районах мира, где отсутствовали регулярные источники электроснабжения. В 1958 году компания GeneralMotors заключила лицензионное соглашение с фирмой Philips, и их сотрудничество продолжалось до 1970 года. Разработки были связаны с использованием Стирлингов для космических и подводных энергетических установок, автомобилей и судов, а также для систем стационарного энергоснабжения. Шведская фирма UnitedStirling, сосредоточившая вначале свои работы в основном на двигателях для транспортных средств большой грузоподъемности, расширила свои интересы в области двигателей и для легковых машин
Исследования двигателей Стирлинга для солнечных, космических и подводных энергетических установок, а также разработка базовых лабораторных и опытных двигателей в настоящее время широко проводятся в Германии, США, Канаде, Франции им особенно в Японии. Результатом заинтересованности общественности вопросами борьбы с шумом и загрязнением воздуха вместе с такой важной проблемой, как сохранение природных источников энергии, явился повышенный интерес к двигателям Стирлинга.
В настоящее время, будущее двигателей Стирлинга представляется более перспективным. В обзорах по различным двигательным установкам для транспорта и стационарных энергетических установок двигатель Стирлинга рассматривают как обладающий возможностями для дальнейшей разработки.
Низкий уровень шума, малая токсичность выхлопа, возможность работы на различном топливе, большой ресурс, сравнимые с ДВС размеры и масса, хорошие характеристики в режимах частичной нагрузки (что особенно важно для городского транспорта) и благоприятные характеристики крутящего момента – все эти параметры дают возможность бросить вызов двигателю внутреннего сгорания. Однако, двигатели с искровым зажиганием и дизели с их большим разнообразием конструкций будут являться еще достаточно сильными конкурентами до тех пор, пока высококачественное очищенное топливо остается доступным при его относительном избытке на рынке.
Также нельзя сбрасывать со счетов и тот факт, что ДВС за всю свою долгую историю развития приобрели огромное число различных модификаций и усовершенствуются до сих пор, доходя порой до почти «идеальных» двигателей. Благодаря этому качеству они и занимают лидирующие позиции в среде своих возможных конкурентов. Не малую роль играют также и наши привычки: вы предпочтете купить автомобиль именно с ДВС, а не с другим каким-либо двигателем, пусть даже этот двигатель и будет работать на воздухе.
Но по мере истощения природных источников энергии стремление к всеобщей экономии в энергетике станет неизбежным. Естественно, что при таких обстоятельствах двигатель Стирлинга в сочетании с подзаряжаемой теплоаккумулирующей системой может оказаться доминирующим в двигательных установках для автомобилей и вообще для транспорта.
Можно с уверенностью гарантировать использование двигателей Стирлинга для стационарных энергетических систем в широком диапазоне мощностей. Очевидно, что эти двигатели найдут более широкое применение в тепловых насосах и холодильных системах.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга: Пер. с англ. – М.: Мир,
1986.
2. Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга: Пер. с англ.
М.: Энергия, 1978.
3. Уокер Г. Двигатели Стирлинга: Пер. с англ. – М.:
Машиностроение, 1985.
4. Бреусов В. Стирлинги уже давно работают в космосе. – Журнал «Колеса» (статья).
5. Двигатели Стирлинга. Пер. с англ. Под ред. В.М.Бродянского.
М.: Мир, 1975.
6. Двигатели Стирлинга / [В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А. Звонок и др.]; под ред. М.Г. Круглова. – М.: «Машиностроение», 1977.
7. «Двигатель с внешним подводом теплоты». Патент №2105156 от 23 июня 1995 г., РФ
8. «Двигатель с внешним подводом теплоты». Заявка №99110725 от 31 мая 1999 г., РФ
Приложение
www.ronl.ru
Модель двигателя Стирлинга
Двигатель Стирлинга - это двигатель внешнего сгорания, в котором тепловая энергия подводится к рабочему телу (в нашем случае - к воздуху) извне - через стенку цилиндра. Принцип действия его основан на известном физическом законе - расширении и сжатии воздуха при нагревании и охлаждении. Поэтому стирлинг называют еще воздушно-тепловым двигателем. Понять работу двигателя, который Стирлинг разработал еще в 1816 году, нам поможет модель, описанная в книге С. Баранова «Действующие модели тепловых машин» (год издания 1936-й). Сначала о том, как устроена модель стирлинга.
Она собирается из четырех основных частей: двух сообщающихся цилиндров - теплообменного 6 и рабочего 3, камеры нагрева - назовем ее топкой 4 - и резервуара с холодной водой (на схемах I-III он не показан, см. его на общем виде двигателя). В верхней части теплообменного цилиндра 6 герметично впаяна камера 7 для воды. Ее задача - охладить нагретый воздух.
Через эту камеру проходит шток поршня-вытеснителя 5. Вытеснитель установлен в цилиндре 6 с зазором, не касаясь стенок. Рабочий поршень 2, наоборот, плотно подогнан к цилиндру 3 и движется по нему практически без зазора. Между собой вытеснитель 5 и рабочий поршень 2 соединены через кривошипно-шатунный механизм, причем кривошип и эксцентрик установлены относительно друг друга со сдвигом фаз на 90°. Цилиндры соединены между собой трубкой, и поэтому воздух может легко проходить из теплообменного в рабочий цилиндр, и наоборот. Кривошипно-шатунный механизм состоит из кривошипа с шатуном и осью (узел 8), эксцентрика 1 и маховика 9.
Диаметр маховика 80 мм, а расстояние от оси до пальца эксцентрика 14 мм. Итак, предположим, что мы поставили спиртовку в топку 4 и начали нагревать дно цилиндра 6. Через некоторое время воздух под поршнем-вытеснителем нагреется (а значит, расширится) и устремится вверх (напомним: между вытеснителем и стенкой цилиндра имеется зазор). Сдвинем маховик 9 с мертвой точки, и поршень-вытеснитель 5 начнет подниматься вверх, вытесняя при этом холодный воздух сверху вниз. Медленно начнет двигаться и рабочий поршень 2. Холодный воздух, соприкасаясь с раскаленным дном цилиндра 6, нагреется, давление возрастет, и воздух по трубке пойдет в рабочий цилиндр 3. Поршень 2 под его воздействием начнет свой рабочий ход. Поршень движется вверх, а тем временем вытеснитель уже стал опускаться вниз, потому что фазы их, как уже было сказано, сдвинуты на 90°. Поршень занял верхнее положение и под действием инерции маховика 9 начинает опускаться вниз, вытесняя в цилиндр 6 отработанный, потерявший первоначальную теплоту воздух.
Попав в верхнюю часть теплообменного цилиндра, он еще больше охлаждается и уменьшается в объеме. Вытеснитель же при обратном ходе рабочего поршня снова начинает подниматься и снова перегоняет холодный воздух сверху вниз. Соприкасаясь с раскаленным дном цилиндра 6, холодный воздух нагревается, расширяется, и цикл повторяется. Главное в работе такого двигателя - охлаждение воздуха. В нашей модели это делает вода, поступающая из резервуара, установленного рядом с двигателем. Как только вода, находящаяся в камере 7, нагреется горячим воздухом, она устремляется по патрубку вверх и попадает в резервуар. А на ее место, уже по нижнему патрубку, поступает из резервуара холодная вода. В физике это явление называется тепловой конвекцией. Теперь о том, как сделать модель двигателя.
Оба цилиндра 3 и 6, топку 4 проще всего спаять из жести. Сначала вырежьте заготовку для цилиндра 6 (ширина ее примерно 223 мм), просверлите в ней отверстия 0 4,2 мм для оси, а затем согните на круглой болванке. Спаяйте цилиндр. С внешних сторон его ушек напаяйте втулки с внутренним диаметром не менее 4,2 мм - они выполняют функции подшипников. Затем приступайте к изготовлению водяной камеры 7. По диаметру получившегося цилиндра вырежьте из жести два кружочка. В центре их просверлите отверстия под трубку с внутренним диаметром примерно 3 мм (длина ее 32 мм). Впаяйте трубку в кружочки так, чтобы расстояние между ними было 30 мм. Получившуюся деталь закрепите пайкой внутри цилиндра, отступив от его нижнего края на 35 мм. Постарайтесь выполнить эту операцию как можно аккуратнее, камера 7 должна быть герметичной, и вода не должна просачиваться через стенки.
Вытеснитель 5 собирается из легкого деревянного цилиндрика, диаметр которого примерно на 2,5 мм меньше внутреннего диаметра цилиндра 6 (высота его подбирается экспериментальным путем) и штока, сделанного из спицы 0 2,8 мм. С обеих сторон обейте цилиндрик жестяными кружочками. По диаметру штока просверлите в центре цилиндрика отверстие и плотно вставьте в него шток. А чтобы он от нагревания не выскочил, припаяйте его к жестяным кружочкам. Шток должен свободно ходить по трубке камеры 7, без излишнего трения. В верхней части штока просверлите отверстие для пальца шатуна. Особое внимание уделите цилиндру 3 и поршню 2. От их качества зависит работа всей модели. Цилиндр можно изготовить из обрезка латунной или медной трубки длиной 40 мм и 0 18-20 мм, запаяв ее снизу латунным кружочком.
В готовом цилиндре не забудьте просверлить отверстие для сообщения его с большим цилиндром. Поршень желательно выточить на токарном станке. Шток закрепляется в верхней части поршня шарнирно. Заготовку топки 4 тоже нужно выгнуть на круглой болванке, предварительно проделав в ней отверстия для воздуха и крепежных винтов. Спаивать ее желательно прямо на готовом цилиндре 6. Теперь нужно собрать модель: припаять цилиндр 3, подогнать к нему поршень 2, впаять в цилиндры трубку для сообщения между собой, смонтировать кривошипно-шатунный механизм, запаять дно цилиндра 6. Готовый корпус двигателя установите на топку 4 и закрепите пайкой. Резервуар для водяного охлаждения - это жестяная банка с впаянными снизу и сверху патрубками, на которые надеты резиновые шланги.
Закрепляется резервуар рядом с двигателем на деревянной подставке. Подытоживая, заметим, что двигатель Стирлинга действует на таком физическом явлении: работа, совершаемая горячим воздухом при расширении, больше работы, которую надо потратить на его сжатие. Поэтому постарайтесь получше отладить кинематику модели, чтобы до минимума уменьшить трение в движущихся узлах. Несколько слов о современных стирлингах. Двигатели внешнего сгорания строят и сейчас, причем по некоторым параметрам они опережают другие двигатели. Сегодня они уже не такие громоздкие, как в прошлом столетии. В качестве рабочего тела в них применяется легкий газ: гелий или водород (у Роберта Стирлинга, как вы помните, использовался воздух). На работу современного стирлинга не влияет внешняя среда: газ, закачанный в корпус под давлением, находится в замкнутом объеме. Поэтому современные стирлинги можно применять практически всюду: и в воде, и под землей, и в открытом космосе, то есть там, где обычные двигатели работать не могут.
Представляю вашему вниманию перевод вот этой статьи. Прошу простить, если я что-то перевела не так - я не очень сильна в английском техпереводе и специфических терминах. Надеюсь, что всё будет понятно и никто не пострадает. Текст получился слишком большой и в одну статью не влез. Вторая часть тут. Как сделать двигатель Стирлинга из баночек от колы.
Двигатель Стирлинга - это тепловой двигатель, придуманный Робертом Стирлингом в 1816 году. Он отличается от автомобильного, так как топливо сжигается вне двигателя – поэтому машину Стирлинга гораздо легче построить. Существуют двигатели Стирлинга, которые могут работать даже от тепла ваших рук, хотя их будет тяжелее собрать. Двигатель Стирлинга станет отличным дополнением к любой коллекции «вещей, которые я построил сам»! Как он работает? Этот двигатель использует воздух, который попеременно нагревается и охлаждается. Чтобы осуществить процесс нагревания-охлаждения, в банке находится свободный вытеснитель, который может перемещаться вверх и вниз, создавая движение воздуха в двигателе. Когда воздух нагревается, он расширяется и давит на диафрагму (воздушный шар), которая приводит в движение рычаги. Когда рычаги поворачиваются, они двигают вытеснитель вниз так, что воздух перемещается в верхнюю часть, где он охлаждается, заставляя ее сокращаться и тянуть назад рычаги, которые, разумеется, тянут вверх вытеснитель и позволяют воздуху переместиться в нижнюю часть и нагреться. Это повторяется снова и снова. Что понадобится: 3 банки из-под колы 1 воздушный шарик2 ниппеля для крепления велосипедных спиц5 электрических клемм (контактные колодки) 5A Стальная вата. Стальная проволока сечением 1мм (около 30см). Толстая (сечение 1.6-2 мм) медная или стальная проволока. Пластиковая крышка от бутылки Деревянный штырь диаметром 20 мм (нам понадобится длина всего лишь 1см). Суперклей 30см электрической проводки Рыболовная леска около 30 см длиной. Кусочек вулканизированной резины - около 2 квадратных сантиметров. Маленькие грузы для балансировки (например, никелевые и т.д.). 3 CD-диска. Жестяная баночка для топки. Канцелярская кнопка. Красный термоустойчивый силикон. Консервная банка для кожуха водяного охлаждения.
Шаг 1: Подготовка 2 банок из-под колы. Во-первых, вам нужно две банки с отрезанными верхушками. Если резать ножницами, останутся опасные зазубрины, которые придётся сточить, используя напильник или дремель. Затем вырежьте дно банки с помощью ножа. Старайтесь не помять металл, это уменьшит герметичность. Некоторые используют для этих целей консервный нож, но я обнаружил, что он повреждает стенки банки. Впрочем, вам может и повезти.
Шаг 2: Делаем диафрагму. Диафрагма этого двигателя выполнена из обычного воздушного шарика, усиленного вулканизированной резиной. В первую очередь отрежьте горловину шарика и натяните его на банку. Затем вырежьте кусок вулканизированной резины площадью 1 см и приклейте его в центр шарика. После того, как клей высохнет, вы можете использовать канцелярскую кнопку, чтобы пробить в центре диафрагмы отверстие для проволоки, на которой будет закреплён вытеснитель. Оставьте кнопку в отверстии, пока не придёт время вставить проволоку.
Шаг 3: Вырезаем и сверлим крышку от бутылки. Просверлите отверстия диаметром 2 мм (для поворотной оси рычагов) в обеих стенках крышки, а также отверстие в донышке крышки (для проволоки, держащей вытеснитель). Затем вырежьте обе стороны крышечки, придав им изогнутую форму. Это делается потому, что иногда держатель проволоки отходит в сторону и задевает крышечку. Это больше раздражает, чем доставляет хлопоты, но всё равно лучше этого избежать. Кроме того, я думаю, что так лучше смотрится. Я пользовался хозяйственными ножницами – они очень хорошо режут толстый пластик. Теперь снимите диафрагму с баночки и натяните её снова, но так, чтоб вулканизированная резина находилась внутри банки. Приклейте крышечку к диафрагме, на ту сторону, где нет резины. Я слегка подшлифовал крышечку, потому что клей не схватывался с пластиком. При этом кнопка должна остаться на месте, чтоб все отверстия, через которые будет продета проволока, находились на одной линии.
Шаг 4: Сверлим отверстия для подшипников. Я взял длинное 3,5 мм сверло, чтоб просверлить отверстия для подшипников. Я сверлил на глаз, измерять и вычислять тут не обязательно. Они должны быть в верхней части баночки, там, где стенки скошены. Убедитесь в том, что они находятся на одном уровне.
Шаг 5: Вырезаем смотровое окошко. Обозначьте круг примерно в центре баночки, с тем расчётом, чтоб через него можно было видеть рычаги и вытеснитель. Можно и не круг, просто так легче вырезать. Шаг 6: Сверлим электрические клеммы. Теперь вам нужно где-нибудь достать электрические клеммы и удалить с них пластиковую защиту. Лучший способ это сделать – открутить винты, насколько возможно, и отогнуть пластик плоскогубцами. Теперь просверлите отверстие диаметром 2 мм прямо через конец каждой из них, как показано на картинке. Вы должны просверлить три из них. Чтобы удобнее было сверлить, я держал их плоскогубцами. Кроме того, необходимо оставить две клеммы непросверленными.
Шаг 7: Делаем рычаги. Для рычагов я использовал медную проволоку диаметром около 1,88 мм - вы можете использовать старые спицы или стальную проволоку, если у вас нет медной. Я использовал медную, потому что её легче гнуть и вообще, она мне нравится. Если вам нужно выпрямить проволоку, можно зажать один конец в дрель, а другой захватить плоскогубцами - вращение дрели должно выпрямить проволоку. На всякий случай защитите лицо и руки – проволока может выскользнуть и поранить вас. Ниже представлены фотографии каждого шага изготовления рычагов. Центральный участок должен выступать примерно на 20мм, а два боковых - на 5мм каждый, но особой точности тут не требуется. Центральный участок располагается под углом 90 градусов к боковым - это лучший угол для такого двигателя.
Шаг 8: Изготавливаем подшипники. Я использовал два велосипедных ниппеля для изготовления подшипников. Вы можете найти их в магазинах или снять со старых велосипедных колёс. Проверьте отверстия – возможно, их совсем не обязательно сверлить. Я просверлил ниппели насквозь двухмиллиметровым сверлом.
Шаг 9: Устанавливаем рычаги и подшипники. Теперь вы можете установить рычаги. Например, через смотровое окошко. Если вы не можете их вставить, подтачивайте один конец проволоки до тех пор, пока она не войдёт в подшипник. Оставьте один конец проволоки подлиннее – потом вы закрепите на нём маховое колесо. Подшипники должны очень плотно сидеть в предназначенных для них отверстиях, но если они «плавают», вы можете их приклеить.
Шаг 10: Делаем вытеснитель. Вытеснитель я сделал из стальной полировочной ваты, обмотанной вокруг куска стальной проволоки. Согните небольшой крюк в конце проволоки и намотайте на неё стальную вату. Как только вы приблизитесь к размеру баночки из-под колы, обрежьте вату. Обрежьте вату так, чтоб вытеснитель был не более 2 дюймов (около 5 см) высотой. Другой конец проволоки смотайте в спираль, так, чтоб нельзя было вытащить её из мотка стальной ваты. Также обрежьте моток ваты так, чтоб его верхняя часть была скошена так же, как и стенки банки.
Проверьте положение вытеснителя в банке - он должен свободно падать под собственным весом. Попробуйте сделать вытеснитель идентичным банке по форме. Когда вы будете довольны движением вытеснителя, привяжите к крюку на проволоке рыболовную леску. Лучше всего добавить немного клея, чтоб узелок не смог сместиться при движении устройства.
Теперь вы можете удалить кнопку из диафрагмы и продеть сквозь неё свободный конец лески так, чтобы вулканизированная резина находилась внутри резервуара.
Итак, продолжаем наше занимательное стирлингостроение. Увы, весь перевод у меня не влез в одну статью, поэтому приходится плодить. Первая часть вот.
Шаг 11: Делаем резервуар под давлением. Вырежьте донышко банки, оставляя примерно 1 дюйм (около 2,5 см) от основания. Поместите вытеснитель и диафрагму в резервуар, а затем установите всё это устройство в конец банки. Убедитесь, что вытеснитель перемещается свободно. После этого натяните диафрагму. Она должна быть натянута ровно настолько, чтоб не провисать. Смотрите не переборщите, её нельзя натягивать чересчур сильно!
Возьмите клемму, которую вы не просверлили, и протяните через неё леску – при этом убедитесь, что вытеснитель находится в нижней части сосуда. Приклейте узелок так, чтоб он не мог двигаться. Смажьте проволоку маслом [я уже начинаю теряться, но там так и написано! – прим. перев.] и убедитесь, что вытеснитель свободно движется и тянет за собой леску.
Шаг 12: Делаем толчковые стержни. Теперь вы можете сделать толчковые стержни, соединяющие диафрагму с рычагами. Начните с куска медной проволоки (около 15см в длину), протяните его через два отверстия в стенках бутылочной крышечки. Затем загните проволоку внутрь. Вам нужно будет отрезать её, оставив концы такой длины, чтоб они доставали до клемм, обращённых вниз. Убедитесь в том, что проволока свободно вращается в отверстиях.
Шаг 13: Делаем маховик. Для того, чтобы сделать маховик, я использовал сантиметровый кусок деревянного стержня 20 мм в диаметре. Я вставил его в центр трёх старых компакт-дисков. Стержень даже оказался слишком широким, и мне пришлось его немного подточить. Просверлите отверстие диаметром 2 мм сквозь центр стержня. Рядом с ним, ближе к внешней стороне, проделайте другое отверстие – диаметром около 3 мм, глубиной 5 мм. Оно нужно для того, чтоб продеть в него проволоку, удерживающую рычаги, после того, как вы её согнёте. Диски, если они будут плохо держаться, можно просто приклеить.
Шаг 14: Прикрепляем маховик. Маховик держится за счёт крюка, согнутого на конце коленчатого вала. Крюк вставляется в дополнительное отверстие, просверленное в деревянном стержне.
Шаг 15: Собираем всё вместе и находим баланс. Теперь вы можете собрать все части воедино. Банка с рычагами вставляется в верхнюю часть сосуда под давлением. Лучше всего вставлять банку снизу, потому что иначе вы рискуете помять или сломать основную ёмкость. Вам необходимо вдавить её примерно на 4 мм. Первое, что нужно сделать, это присоединить и сбалансировать вытеснитель. Я отрезал кусочек медной проволоки (около 30 мм), чтоб подсоединить проволоку, удерживающую вытеснитель, к одному из рычагов. Это нужно затем, чтоб нижняя клемма могла двигаться вверх-вниз и удерживать вытеснитель от ударов по верхней или нижней части сосуда. [Боже, храни королеву! Я надеюсь, что вы понимаете, о чём тут речь. – прим. перев.] Когда вы присоедините вытеснитель, можно добавить противовес к маховику. Противовес должен тянуть рычаг, соединённый с вытеснителем, в горизонтальное положение – убедитесь, что это так. В моём случае противовес сделан из монетки. Толчковые стержни ввинчиваются во внешние ниппели. Установите рычаги в самое нижнее положение и закрепите стержни в ниппелях.
Шаг 16: Делаем топку. Для топки я взял жестяную баночку из-под сиропа, у которой есть окантовка на крышке и донышке. Вырежьте спереди отверстие в виде арки и просверлите 8 отверстий диаметров 8 мм для вентиляции. Вы также можете использовать любую жестяную банку, сопоставимую по диаметру с баночкой из-под колы. Главное – вырежьте в ней отверстие.
Шаг 17: Прикрепляем окантовку. Чтоб никто не порезался об острые края смотрового окошка, я сделал для него окантовку из оболочки электрического кабеля. Я разрезал её по центру, вынул провод и приклеил оболочку на края отверстия.
Шаг 18: Вот и готово! Тестируем и ищем неисправности. Наконец вы можете испытать двигатель! Зажигаем свечу и пробуем! Надеемся, что он заработает с первого раза. Если нет – вот пара советов, которые могут помочь. Не забудьте хорошенько смазать все движущиеся части – это поможет механизму двигаться более плавно.
Утечки воздуха: Если вы подозреваете утечки воздуха, можно поместить всю конструкцию в горячую воду, и любая утечка тут же станет очевидной. Именно в горячую воду! Это важно, поскольку воздух внутри начнёт расширяться, и утечка скорее обнаружится. Не забудьте потом тщательно просушить двигатель и откачать воду, иначе образующийся пар просто разорвёт баночку. Слишком много трения: достаточно ли свободно двигается механизм? Определённое сопротивление со стороны диафрагмы будет наблюдаться всегда, но если вы попытаетесь раскрутить маховик рукой, он должен свободно повернуться один-два раза. Двигатель чересчур герметичен: Если двигатель прекрасно герметичность, то воздух в неподвижном пространстве будет расширяться и мешать движению. Симптомом этого является выпуклость диафрагмы. Проблема решается так: подложите под край диафрагмы кусочек лески, это создаст небольшой люфт, и избыточного давления можно будет избежать. Со временем отверстие, через которое проходит проволока вытеснителя, расширится, и вы сможете убрать искусственный люфт. Если вы сделали такой люфт, не наполняйте промежуток между двух банок водой, потому что она начнёт просачиваться.
Шаг 19 [Опционально] Добавляем кожух водяного охлаждения Вы можете заставить свой двигатель работать лучше, добавив кожух охлаждения для увеличения разности температур. Для этого вам понадобится консервная банка диаметром немного больше, чем баночка из-под колы. Нарисуйте круг на дне банки и вырежьте его хозяйственными ножницами. Возможно, придётся отполировать края отверстия. Поместите сосуд под давлением в подготовленную консервную банку и запечатайте водостойким силиконовым герметиком.
Цикл Стирлинга
В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) распыленное топливо соединяется с окислителем, как правило, воздухом, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь отдает свою энергию во время кратковременной фазы горения. В двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник. Еще одним существенным различием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя. Цикл Стирлинга основан на последовательном нагревании и охлаждении газа (его называют рабочим телом) в замкнутом объеме. Рабочее тело нагревается в горячей части двигателя, расширяется и производит полезную работу, после чего перегоняется в холодную часть двигателя, где охлаждается, сжимается и снова подается в горячую часть двигателя. Цикл повторяется. Количество рабочего тела остается неизменным, меняется его температура, давление и объем. Весь цикл условно разделен на четыре такта. Условность заключается в том, что четкое разделение на такты в цикле отсутствует, процессы переходят один в другой. Это обусловлено отсутствием в конструкции двигателей Стирлинга клапанного механизма (стирлинг-двигатели с клаппаным механизмом называются двигателями Эриксона). С одной стороны данный факт резко упрощает конструкцию, с другой стороны вносит сложность в теорию расчета. Но об этом позже. Рассмотрим принцип работы на примере гама-стирлинга. Этот тип наиболее часто применяют в моделировании. Двигатель состоит из двух цилиндров. Большой цилиндр - теплообменный. Его задача поочередно разогревать и охлаждать рабочее тело. Для этого один торец цилиндра разогревают (на схеме он закрашен розовым цветом), другой торец - охлаждают (на схеме он закрашен синим цветом). Большой поршень выполненный из теплоизоляционного материала, свободно перемещается в теплообменном цилиндре (зазор между стенками цилиндра и поршня составляет 1-2 мм) и выполняет роль теплового клапана, пегегоняющего рабочее тело то к холодному, то к горячему торцу. Малый цилиндр является рабочим. Поршень плотно подогнан к цилиндру.
Гамма стирлинг. Первый такт
Первый такт - такт сжатия при постоянной температуре рабочего тела: поршень теплообменного цилиндра находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ) и остается условно неподвижным. Газ сжимается рабочим поршнем малого цилиндра. Давление газа возрастает, а температура остается постоянной, так как теплота сжатия отводится через холодный торец теплообменного цилиндра в окружающую среду.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ: Под условной неподвижностью подразумевают малую высоту перемещения поршня при прохождении коленвалом расстояния вблизи верхней или нижней мертвой точки.
Гамма стирлинг. Второй такт
Второй такт – такт нагревания при постоянном объеме: рабочий поршень рабочего цилиндра находится вблизи НМТ и полностью перемещает холодный сжатый газ в теплообменный цилиндр, поршень которого движется к верхней мертвой точки (ВМТ) и вытесняет газ в горячую полость. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, рабочее тело разогревается давление повышается и достигает максимального значения. Это в теории. На практике прирост давления идет параллельно с выталкиванием рабочего поршня. В результате давление не достигает теоретически рассчитанного максимума. Данный факт также объясняет хороший к.п.д. на малых оборотах двигателя. Рабочее тело прогревается лучше и прирост давления приближается к максимуму.
Гамма стирлинг. Третий такт
Третий такт - такт расширения при постоянной температуре газа: поршень теплообменного цилиндра находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) и остается условно неподвижным. Поршень рабочего цилиндра под действием давления газа движется к верхней мертвой точке. Происходит расширение горячего газа в полости рабочего цилиндра. Полезная работа, совершаемая поршнем рабочего цилиндра, через кривошипно-шатунный механизм передается на вал двигателя. Давление в цилиндрах двигателя при этом падает, а температура газа в горячей полости остается постоянной, так как к нему подводится тепло от источника тепла через горячую стенку цилиндра. В моделях двигателей Стирлинга, где теплообменный цилиндр не имеет качественного нагревателя рабочее тело разогревается не полностью, но поскольку давление в газах распространяется равномерно во все стороны его изменение оказывает действие и на рабочий поршень, заставляя его двигаться и совершать работу.
Гама стирлинг. Четвертый такт
Четвертый такт - такт охлаждения при неизменном объеме: поршень рабочего цилиндра находится вблизи ВМТ и остается условно неподвижным. Поршень теплообменного цилиндра движется к НМТ и перемещает газ, оставшийся в горячей части в холодную часть цилиндра. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, давление газа в них продолжает падать и достигает минимального значения. В моделях, содержащих рабочее тело при атмосферном давлении четвертый такт также является рабочим, поскольку давление падает резко и возникает кратковременное разряжение. В результате рабочий поршень с усилием втягивается в цилиндр, совершая дополнительную работу. Из четырех тактов два - рабочие!
Плюсы стирлингов
- КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. Кроме того крутящий момент двигателя почти не зависит от скорости вращения коленвала. В двигателях внутреннего сгорания напротив максимальный крутящий момент достигается в узком диапазоне частот вращения. - В конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации. - В ДВС сгорание топливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги лишены этого недостатка. - Двигатель не будет "капризничать" из-за потери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие "двигатель заглох" не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным поворотом маховика коленчатого вала.
Простота конструкции позволяет длительно эксплуатировать Стирлинг в автономном режиме.
- Двигатель Стирлинга может использовать любой источник тепловой энергии, начиная с дров и заканчивая ядерным топливом!
- Сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя (в отличии от ДВС), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).
Минусы стирлингов
- Поскольку сгорание топлива происходит вне двигателя, а отвод тепла осуществляется через стенки радиатора (напомним, что Стирлинги имеют замкнутый объем) габариты двигателя увеличиваются. - Еще один минус - материалоемкость. Для производства компактных и мощных Стирлинг-машин требуются жаропрочные стали, выдерживающие высокое рабочее давление и в то же время, обладающие низкой теплопроводностью. Обычная смазка для Стирлингов не годится - коксуется при высокой температуре, по этому необходимы материалы с низким коэффициентом трения.- Для получения высокой удельной мощности в качестве рабочего тела в Стирлингах используют водород или гелий (почему именно эти газы - читайте в разделе "ТЕОРИЯ"). Водород взрывоопасен, при высоких температурах растворяется в металлах, образуя металлогидриды - т.е. разрушает цилиндры двигателя. К тому же водород, как и гелий обладает высокой проникающей способностью и просачивается через уплотнения подвижных частей двигателя, снижая рабочее давление.
Для того чтобы окрасить алюминий, его необходимо анодировать. Очищенную и обезжиренную деталь опустите на 2-3 минуты в 5% р-р едкого натра, промойте, а затем опустите в слабый раствор азотной кислоты (20-30мл. кислоты на 100г. воды) и снова промойте. Дотрагиваться до нее руками нельзя. Опустите деталь в ванну для анодирования, к детали подсоедините положительный электрод. Электролит-20мл. серной кислоты на 100мл воды. Ток 20-25мА на 1см2.Процес длится около часа. Дальше деталь на 5-10 минут поочередно погружают в два раствора, промывая каждый раз в проточной воде. Составы красящих растворов: (концентрация в гаммах на 100 г. воды).
| Цвет | 1-й Раствор | 2-й Раствор |
| Синий,Голубой | Ферроцианид калия (1-5) | Хлорид железа III (1-10) |
| Коричневый | Ферроцианид калия (1-5) | Медный купорос(1-10) |
| Черный | Ацетат кобальта(5-10) | Перманганат калия(1-5) |
| Желтый | Бихромат калия(5-10) | Ацетат свинца(1-5) |
| Золотисто-Желтый | Гипосульфат натрия(1-5) | Перманганат калия(1-5) |
| Белый | Ацетат свинца(1-5) | Сульфат натрия(1-5) |
bukvasha.ru
Содержание.
1. Введение 2
2. Принцип работы и устройство 5
3. Перспективы использования 8
4. Заключение 14
5. Список литературы 15
6. Приложения 18
Введение
21 сентября 1816 года в Эдинбурге, столице Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал машину, которую он назвал «экономайзер» (economiser ). В реальной жизни Роберт Стирлинг был священником шотландской церкви и продолжал вести службы, хотя ему к этому времени исполнилось восемьдесят шесть лет. В свободное время в своей домашней мастерской он конструировал тепловые машины. Одну из его работавших моделей позднее использовал лорд Кельвин для своих университетских лекций.
Один из первых двигателей Стирлинга
В то время двигатель Стирлинга получил признание как надежная паровая машина, которая никогда не взрывается, как это довольно часто случалось с другими типами паровых двигателей в те времена.
В 1850 простая и элегантная динамика двигателя Стирлинга была впервые теоретически описана профессором Рэнкином МакКорном ( Professor McQuorne Rankine ). Приблизительно через сто лет термин «Двигатель Стирлинга» был использован Рольфом Мейером (Rolf Meijer) для обозначения всех типов регенеративных паровых машин замкнутого цикла.
Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной, поскольку его теоретическая эффективность практически равна максимальной эффективности тепловых машин ( эффективность цикла Карно ). Двигатель Стирлинга работает за счет теплового расширения газа, за которым следует сжатие газа после его охлаждения. Двигатель Стирлинга содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между «холодной» частью (обычно комнатной температуры) и «горячей» частью, которя обычно разогревается за счет сжигания любого вида топлива, атомным реактором или за счет солнечного тепла. Нагрев производится снаружи, поэтому двигатель Стирлинга относят к двигателям внешнего сгорания.
С момента изобретения было разработано большое количество различных разновидностей двигателей Стирлинга с целью повышения мощности и эффективности. Тем не менее, они уступали по удельной мощности двигателям Отто и Дизеля. Двигатель Отто, изобретенный в 1877 году и двигатель Дизеля, изобретенный в 1893 имели более высокую уделбную мощность, чем двигатели Стирлинга того времени. Это привело к постепенному вытеснению двигателя Стирлинга из промышленности. Они еще широко применялись в начале нашего века на фермах и шахтах — в основном для приведение в действие различных насосов и других применений, где не требуется высокая удельная мощность, а основными критериями являются надежность и экономичность. Но к 1940 году их выпуск был прекращен.
Демонстрационная модель двигателя Стирлинга
Довольно долго двигатели Стирлинга использовались лишь как игрушки и учебные пособия в школах и университетах при изучении термодинамики. Но в последние годы интерес к двигателю Стирлинга быстро возрастает. Начат промышленный выпуск домашних электрогенераторов на двигателе Стирлинга ( см. приложение 1 ). Национальным Аэрокосмическим Агентством США (NASA) были проведены сравнительные оценки различных типов тепловых машин для использования в космической аппаратуре ( см. приложение 2 ). Двигатель Стирлинга был признан наиболее перспективным из-за своего высокого кпд и надежности. Выпускаются холодильные установки, работающие на обратном цикле Стирлинга — как промышленные, позволяющие получать температуру до -2400С ( см. приложение 3 ), так и предназначенные для использования в бытовых холодильниках. В последнем случае их преимущества перед традиционными системами обусловлены тем, что в качестве хладогента в них может быть использован обычный воздух.
Таким образом, можно сказать, что история двигателя Стирлинга далеко не закончена. Его развитие входит в новый многообещающий этап.
Двигатель Стирлинга является тепловой машиной замкнутого цикла. Его работа основана на расширении газа, используемого как рабочее тело, при повышении температуры. На следующем рисунке приведены диаграммы для идеального цикла Стирлинга в координатах давление-обьем P-V и температура-энтропия T-S и иллюстрации соответствующих процессов.
На диаграммах цифрами обозначены точки, разделяющие этапы работы двигателя. На первом этапе (1-2) происходит изотермическое расширение газа. Далее, на следующем этапе (2-3) — охлаждение при постоянном объеме. Далее (этап 3-4) — изотермическое сжатие охлажденного газа. И наконец на этапе 4-1 разогрев при постоянном объеме. Полезная работа производится газом только на первом этапе. Все остальные происходят за счет запасенной части энергии (обычно, энергии вращающегося колеса).
Существуют два основных типа двигателей Стирлинга, отличающихся устройством цилиндров. В первом — так называемом двухцилиндровом (Two pistons type Stirling engine) используются раздельные цилиндры для нагревания и охлаждения рабочего газа.
Двухцилиндровый двигатель Стирлинга
На этом рисунке верхняя часть горячего цилиндра с поршнем (hot piston) постоянно разогревается внешним источником тепла, в то время, как верхняя часть холодного цилиндра с поршнем (cold piston) постоянно охлаждается. Следует обратить внимание, что поршни закреплены на коленчатом валу (crank shaft) так, что обеспечивают сдвиг по фазе на 90 градусов, т.е. в то время, как горячий поршень достигает верхнего положения, холодный находится в среднем положении, двигаясь вверх. Этот момент сооответствует этапу 2-3 на предыдущем рисунке — охлаждению при постоянном объеме. Затем холодный поршень поднимается вверх, сжимая охлажденный газ при постоянной температуре — этап 3-4. Когда холодный поршень вытесняет охлаженный и сжатый газ в горячий цилиндр, тот разогревается при постоянном объеме — этап 4-1. И наконец, горячий газ расширяется, толкая поршень в горячем цилиндре вниз — этап 1-2. На последнем этапе выделяется мощность, часть которой запасается вращающимся колесом (flywheel).
В другой конструкции — двигателе Стирлинга поршневого типа (Displacer type Stirling engine) — используется один цилиндр, одна сторона которого (верхняя на приведенном ниже рисунке) постоянно охлаждается, а другая — постоянно нагревается. Поршень-дисплейсер (displacer), разделяющий холодную и горячую части цилиндра, неплотно прилегает к стенкам цилиндра, что позволяет газу перемещаться между ними. В этой конструкции поршни так же закреплены на коленчатом валу со сдвигом по фазе на 90 градусов. Двигатель работаетпо тому же принципу, что и предыдущая конструкция.
Двигатель Стирлинга поршневого типа
И в той, и в другой конструкции тепловая энергия нагревателя преобразуется в механическую энергию вращения вала. Однако, возможно использование и обратного цикла Стирлинга — если за счет внешнего двигателя вращать вал в этих машинах, рабочий газ будет двигаться по тому же циклу. При этом «горячий» цилиндр будет охлаждаться, а «холодный» — разогреваться. То есть двигатель Стирлинга в этом случае будет работать как тепловой насос, т.е. холодильная машина. Рабочим телом в нем может служить любой газ, в том числе и атмосферный воздух.
Перспективы использования.
Развитие науки и техники ривело к образованию новых «экологических ниш», в которых с успехом может применяться двигатель Стирлинга. Некоторые из них показаны на приведенных ниже рисунках.
Перспективные применения двигателя Стирлинга.
На первом из них показан пример солнечной энергетической установки (solar power system). Высокий к.п.д., простота и надежность конструкции двигателя Стирлинга обуславливают эффективность его использования в данных системах. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух. Роль такого экологически чистого источника энергии в современном мире легко оценить.
На втором рисунке схематически изображен тепловой насос Вуллемейера (Vuillemeier Heat Pump). Известно, что при использовании обратного цикла Срирлинга, т.е. если, например, приводить двигатель Стирлинга в движение с помощью какого-либо внешнего источника (например, еще одного двигателя Стирлинга), то «горячий» цилиндр будет охлаждаться, а «холодный» — разогреваться. Если при этом разогревать «горячий» цилиндр (например, окружающим воздухом), то «холодный» цилиндр будет разогреваться до более высокой температуры. При этом внешняя энергия расходуется не непосредственно на разогрев, а на «перекачку» тепла из холодного места в более теплое, что гораздо эффетивнее. Для идеального случая к.п.д.такой системы может быть посчитан как
где
Тс — абсолютная температура холодной части
Тh — абсолютная температура горячей части
Поскольку даже в сильные морозы Тс редко опускается ниже 250 градусов Кельвина, для поддержания Тh на уровне 300 градусов Кельвина ( 270) к.п.д. составляет 250/(300-250)=5. То есть, затратив 1 кВт. ч электроэнергии на работу теплового насоса, мы получим в 5 раз больше тепла, чем если бы подавали ту же мощность прямо на электронагреватель. Отсюда легко понять интерес к тепловым насосам на основе цикла Стирлинга.
На следующем рисунке представлен криокулер Стирлинга (Stirling cryocooler). Он работает по тому же принципу теплового насоса, но используется в качестве холодильной установки для получения очень низких температур. Далее будут более подробно описаны перспективы и преимущества устройств этого типа.
На последнем рисунке покан двигатель Стирлинга, установленный на атомной подводной лодке. Поскольку в этом случае вес и габариты двигателя не играют решающей роли, высокий к.п.д. и надежность делают его идеальным кандидатом для преобразования тепловой энергии, вырабатываемой атомным реактором, в механическую. Благодаря тому, что двигатель Стирлинга практически не нуждается в уходе и настройке, он может быть размещен в изолированной части корпуса, что особенно существенно в случае затрудненного доступа (как в случае подводных лодок или космических аппаратов). Так, специалистами NASA ( Национального Аэрокосмического Агентства США) были проделаны предварительные проработки проекта создания обитаемой базы на Луне ( см. приложение 2 ). Проектом предусматривается постепенное, «эволюционное» строительство базы — начиная с маленького обитаемого модуля и до большой производственой базы с полной обработкой полезных ископаемых. В качестве основного источника энергии для работы в условиях лунной поверхности был выбран атомный реактор SP-100 с тепловой мощностью 2500 кВт и 8 электрических генераторов, работающих от двигателей Стирлинга. Два из них предполагалось держать в резерве для обеспечения требуемого уровня резервирования мощности, а остальные планировалось использовать на 91.7 процентов от их номинальной электрической мощности (150 кВт). Таким образом, полная проектная электрическая мощность составляет 825 кВт. В качестве дополнительного источника на первом этапе строительства предусмотрено использование наращиваемых солнечных батарей. В проекте приводится подробное техническое описание реакторной установки, конструкции и теплового подсоединения двигателей Стирлинга, систем отвода тепла и распределения мощности.
Описанный лунный проект демонстрирует потенциальные применения двигателей Стирлинга в будующем. Если вернуться в настоящее время, можно привести, в качестве примера, начавшийся выпуск домашних электрогенераторов на двигателе Стирлинга ( см. приложение 1 ). В приведенном рекламном материале описан совмещенный нагреватель-электрогенератор WG800 мошностью 800 Вт на двигателе Стирлинга. Прибор универсальный, предназначен для использования как в домашних условиях, так и под открытым небом. Его преимущества — высокая надежность и автономность (5000 часов работы до первого технического обслуживания), низкий уровень шума — горючее сгорает непрерывно, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, где оно поступает в цилиндр порциями и там взрывается. В качестве топлива может использоваться природный газ, все виды жидкого топлива, уголь и даже дроваВсе это делает его чрезвычайно удобным для использования в удаленных от электосетей. На рынке доступны так же более мощные, 3 кВт, модели прибора.
Другой пример современного использования приборов, основанных на цикле Стирлинга — криокулеры. В широких масштабах их начали производить около десяти лет назад — преимущественно для использования в военной технике: на танках и самолетах требовалось устанавливать высокочувствительные охлаждаемые до температур порядка -2000С датчики и приемники. Для их охлаждения и были разработаны криокулеры на основе обратного цикла Стирлинга. Ниже приводится краткое описание одного из отечественных криокулеров, которые в связи с конверсией поступили на открытый рынок.
зПУХДБТУФЧЕООПЕ РТЕДРТЙСФЙЕ «орп пТЙПО».
нОПЗПЬМЕНЕОФОЩК ЖПФПРТЙЕНОЙЛ ОБ ПУОПЧЕ лтT У УЙУФЕНПК ПИМБЦДЕОЙС ФЙРБ уРМЙФ-уФЙТМЙОЗ
лТБФЛПЕ_ПРЙУБОЙЕ: нОПЗПЬМЕНЕОФОЩК ЖПФПРТЙЕНОЙЛ ОБ_ПУОПЧЕ УПЕДЙОЕОЙС ЛБДНЙК-ТФХФШ-ФЕММХТ У ТБЪНЕТПН ЬМЕНЕОФБ 50И50 (35И35) НЛН ДМС УРЕЛФТБМШОПЗП ДЙБРБЪПОБ 8-12 НЛН, ЙОФЕЗТЙТПЧБООЩК У ПИМБДЙФЕМЕН уФЙТМЙОЗБ. пВОБТХЦЙФЕМШОБС УРПУПВОПУФШ D* > 4*1010 чФ-1 зГ1/2 УН. рПФТЕВМСЕНБС НПЭОПУФШ < 10 чФ.
оБЪОБЮЕОЙЕ: фЕРМПЧЙЪЙПООБС БРРБТБФХТБ ЫЙТПЛПЗП ОБЪОБЮЕОЙС (ДЙБЗОПУФЙЛБ Ч НЕДЙГЙОЕ, БОБМЙЪ ФЕРМПЧЩИ РПФЕТШ Ч РТПЙЪЧПДУФЧЕООЩИ Й ЦЙМЩИ ЪДБОЙСИ, ЛПОФТПМШ РПФЕТШ Ч ЬОЕТЗПУЕФСИ, ФБНПЦЕООЩК ЛПОФТПМШ), ЙЪНЕТЙФЕМШОБС БРРБТБФХТБ, ОБХЮОЩЕ ЙУУМЕДПЧБОЙС Й ДТ.
Вообше говоря, современная полупроводниковая электроника подошла в своем развитии к пределу, обусловленному физическими законами. Дальнейшее повышение характаристик требует перехода к охлаждаемым до температур порядка -1000-2000С элементам. На последних конференциях по электронике (ISEC-97, EUCAS-97) активно обсуждаются различные способы охлаждения аппаратыры. На сегодняшний день наиболее перспективным признано использование криокулеров на цикле Стирлинга. Доступные в настоящее время, выпускаемые мелкими сериями модели маломощных криокулеров стоят порядка 10-15 тысяч долларов. При переходе к крупносерийному производству ожидается, что их цены упадут в несколько раз, что сделает коммерчески рентабельным использование охлаждаемых элементов сначала в наиболее ответственных системах — таких, как файл-серверы, и большие компьютеры, а в перспективе и в бытовых компьютерах. Таким образом, можно ожидать, что к середине следующего века, по мере распространения домашних компьютеров, двигатель Стирлинга придет практически в каждый дом
Заключение
После своего изобретения в 1816 году, двигатель Стирлинга пережил первый период своего широкого распространения — в конце прошлого — начале нашего века, после чего был практически забыт. Но в последние годы он вновь привлекает к себе повышенный интерес в самых разных областях использования. В настоящее время быстро расширяется использование криокулеров на основе цикла Стирлинга, выпускаются электрогенераторы, работающие от двигателей Стирлинга. Его преимущества — высокий к.п.д., надежность, неприхотливость, возможность использования экологически чистых источников энергии позволяют рассчитывать на широкое распространение двигателя Стирлинга в будующем.
Литература.
1. El-Genk, Mohamed S.; Editor (1994) A Critical Review of SPACE NUCLEAR POWERAND PROPULSION 1984-1993, American Institute of Physics Press
2. Organ, A. J. (1992) Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Cycle Machine, Cambridge University Press
3. Reader, G. T. and Hooper, C. (1983) Stirling Engines, E. & F. N. Spon
4. Urieli, I. and Berchowitz, D. M. (1984) Stirling Cycle Engine Analysis, Adam Hilger Ltd.
5. Walker, G. (1973) Stirling-Cycle Machines, Oxford University Press
6. West, C. D. (1986) Principles and Applications or Stirling Engines, Van Nostrand Reinhold Company, Inc.
7. Roberts, M.L.: Inflatable Habitation for the Lunar Base. Presented at the Symposium on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century, Apr. 5-7, 1988, Houston, TX, Paper Number LBS-88-266.
8. Conceptual Design of a Lunar Oxygen Pilot Plant--Lunar Base Systems Study. (EEI-88-182, Eagle Engineering, Inc., NASA Contract NAS9-17878) NASA-CR-172082.
9. Brinker, D.J.; and Flood, D.J.: Advanced Photovoltaic Power Power System Technology for Lunar Base Applications. NASA TM-100965, 1988.
10. A.C. Klein, NASA Lewis Summer Intern Report.
11. Personal communication from J. Alfred, NASA Johnson Space Center.
12. Bloomfield, H.S.: Small Reactor Power Systems for Manned Planetary Surface Bases. NASA TM-100223, 1987.
13. Slaby, J.G.: Overview of the 1988 Free-Piston Stirling SP-100 Activities at the NASA Lewis Research Center. NASA TM-87305, 1986.
14. English, R.E.; and Guentart, D.G.: Segmenting of Radiators for Meteoroid Protection. ARS J., vol. 31, no.8, Aug. 1961, pp. 1162-1163.
15. Bien, D.D.; and Guentart, D.C.: A Method for Reducing the Equivalent Sink Temperature of a Vertically Oriented Radiator on the Lunar Surface. NASA TM X-1729, 1969.
16. Roberts, B.B.; and Bland, D.: Office of Exploration: Exploration Studies Technical Report, Volume 2: Studies Approach and Results. NASA TM-4075-VOL-2, 1988.
17. Lee S. Mason and Harvey S. Bloomfield National Aeronautics and Space Administration Lewis Research Center, Cleveland, Donald C. Hainley Sverdrup Technology, Inc. NASA Lewis Research Center Group Cleveland SP-100 Power System Conceptual Design for Lunar Base Applications 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems. 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems sponsored by the Institute for Space Nucelar Power Studies, Albuquerque, NM, January 8-12, 1989
www.ronl.ru
