На главную

Назад

Двигатель Стирлинга — тепловая машина, работающая не только от сжигания топлива, но от любого источника тепла, например — солнечных лучей. В данной статье изложена история, показан принцип работы, а также приведены примеры использования этого двигателя.

История развития

21 сентября 1816 года в Эдинбурге, в Шотландии, Роберт Стирлинг патентует тепловую машину, которую называет economiser (сегодня она имеет название двигатель внешнего сгорания, или как ее еще называют, в честь изобретателя, двигатель Стирлинга). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как воздух охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы.

В начале ХІХ столетия двигатель Стирлинга был признан самой надежной паровой машиной, которая никогда не взрывается, как это довольно часто случалось с другими типами паровых двигателей. И вдобавок существенным его преимуществом была бесшумность.

На 1908 год конструкционное совершенство двигателя Стирлинга разрешила ввести его во многих областях техники и экономики: для привода ткацких станков, вращение лопастных колес судов, подачи воздуха к церковным органам. Их применяли даже на молокозаводе во время производства сыра и в парикмахерской для вращения щипцов для завивки волос.

Несмотря на такой успех, к 20-ым годам ХХ столетия развитие Стирлинг-технологий прекратилось. Двигатели, которые выпускали в значительном количестве к первой мировой войне, в конце концов, были недостаточно экономическими, прежде всего из-за отсутствия пригодных для их изготовления материалов. Поэтому появление накануне войны электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания (далее – ДВС), что были более экономическими и компактными, воспрепятствовала дальнейшему развитию двигателей Стирлинга. Тем не менее, модели небольших мощностей выпускали еще продолжительное время, до 50-ых годов.

На сегодня, благодаря появлению высокопрочных термостойких материалов, электронных систем управления и новых технологий производства, двигатель Стирлинга снова привлекает внимание специалистов. Теоретические расчеты довели, что сравнительно с ДВС, при условии применения современных материалов, он выиграет за экономическими и экологическими показателями. И, в конце концов, его ждет возрождение.

Принцип работы

Двигатель Стирлинга – это поршневой двигатель с внешним подводом теплоты от любого источника, в котором рабочее тело находится в закрытом контуре и его химический состав, во время работы двигателя, не изменяется. Теоретическая эффективность использования теплоты в двигателе Стирлинга отвечает наилучшим образцам ДВС, но практически обеспечить высокий КПД двигателя Стирлинга возможно только при наличии эффективного регенератора, который утилизирует теплоту.

Удельная мощность двигателя Стирлинга (мощность на единицу рабочего объема) отвечает мощности дизеля. Продолжительная история развития двигателей с внешним подводом теплоты обусловила создание большого количества разновидностей этих двигателей. Одной из возможных конструкций двигателе Стирлинга – это расположения цилиндров под углом 90°.

Один цилиндр нагревается внешним источником тепла (например, огнем), а второй охлаждается, например льдом. Цилиндры заполнены газом и соединены друг с другом, а их поршни механически связаны с помощью устройства, обеспечивающего определенный порядок их движения.

Горячая полость соединена с холодной через регенератор и охладитель. Регенератор является тепловым аккумулятором, предназначенным для предотвращения потерь теплоты. Он воспринимает теплоту рабочего тела при перетекании из горячей области в холодную и отдает ее при обратном перетекании рабочего тела. Материал регенератора должен иметь высокую теплоемкость и низкую теплопроводность, во избежание передачи теплоты к охладителю. Охладитель воспринимает основную часть теплоты, которая отводится от рабочего тела, которое обусловлено закрытым циклом двигателя Стирлинга. Сравнительно с дизелем, в систему охлаждения двигателя Стирлинга отводится вдвое больше теплоты, поэтому и производительность системы охлаждения должны быть вдвое высшей.

Во время движения поршня вверх происходит сжимание воздуха во всех полостях двигателя, рабочее тело через регенератор, где отбирает накопленную теплоту, перетекает в горячую полость. Теплоту к рабочему телу в горячей полости подводят извне сквозь стенки цилиндра, от продуктов сгорания, которые образовываются в камере сгорания. Нагревание рабочего тела в горячей полости предопределяет повышение его давления во всех соединенных между собой полостях двигателя. Под действием этого давления рабочий поршень перемещается вниз, осуществляя рабочий ход, а рабочее тело проходит регенератором, отдает ему часть теплоты, охлаждается в охладителе и подается к холодной полости. Через снижение температуры уменьшается давление. Дальше этот цикл повторяется.

Регулирование мощности может осуществляться в разные способы. Например, изменением дополнительного объема, для чего двигатель оборудуют дополнительным поршнем с винтовой передачей.

Перспективы применения

Двигатели Стирлинга имеют весомые преимущества сравнительно с двигателями внутреннего сгорания, такие как: - незначительная затрата смазочных материалов;

- очень низкие выбросы основных вредных веществ, на порядок низшие чем ДВС, благодаря постоянному сгоранию топлива в благоприятных условиях;

- незначительная шумность двигателя Стиргинга, что объясняется отсутствием механизма газораспределения, а также плавным непрерывным процессом сгорания, в отличие от взрывоподобного сгорания в цилиндрах ДВС;

- небольшой объем технического обслуживания;

- а также независимость к конкретному веществу двигателя Стирлинга.

К недостаткам можно отнести громоздкость, так как делать компактные, надёжные и мощные теплообменники очень трудно.

На сегодня, изготовление двигателя Стирлинга нуждается в больших средствах, чем обычные ДВС, тем не менее, его эксплуатация - значительно экономичнее (но затратность производства можно объяснить неприспособленностью промышленности к изготовлению двигателей Стирлинга).

Исключительное свойство двигателей Стирлинга, что разрешает применять нетрадиционные топлива, например, биогаз, уголь и даже отходы деревообрабатывающей промышленности, а также использование любых других видов энергии делает их особенно привлекательными в связи с использованием энергии из возобновляемых источников.

На автомобилях двигатели Стирлинга не приобрели распространение, через значительный удельный вес на единицу мощности, а также из-за сложности системы управления двигателем в быстроменяющихся эксплуатационных режимах. Хотя их и применяют в составе комбинированных энергетических установок, как утилизаторы теплоты выбросов ДВС.

А на таких транспортных средствах как яхты, атомные подводные лодки, космические корабли, двигатели Стрилинга применяются довольно широко. Поскольку в этом случае вес и габариты двигателя не являются решающими факторами, именно надежность определяет его роль как идеального кандидата для преобразования тепловой энергии в механическую. Благодаря тому, что двигатель Стирлинга практически не нуждается в техническом обслуживании и регулировании, он может быть размещен в изолированной части корпуса, что важно в случае трудного доступа (на подводных лодках или космических кораблях). Например, NASA (National Aeronautics and Space Administration - Национальная Администрация Аэронавтики и Космонавтики США) вплотную занимается разработкой и усовершенствованием двигателей Стирлинга, успешно внедряет их в космических аппаратах, тем не менее детальная информация о таких разработках не распространяется.

Итак, развитие науки и техники обусловило образование новых "экологических ниш", где с успехом может применяться двигатель Стирлинга.

В частности, на рис. 4 приведен пример солнечной энергетической установки. Довольно высокий КПД, простота и надежность конструкции двигателя Стирлинга предопределяют эффективность его использования в таких системах. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (как источник тепла). Охладителем может быть окружающий атмосферный воздух. Имеем экологически чистый источник энергии, так необходимый в современном мире.

Возможное также применение обратного цикла Стирлинга. Если приводить двигатель Стирлинга в движение каким-нибудь внешним устройством, тогда "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а "холодный" - будет разогреваться. Если при этом подогревать "горячий" цилиндр, например, окружающим воздухом, то "холодный" цилиндр будет разогреваться к высшей температуре. При этом внешняя энергия тратится не непосредственно на разогрев, а на "перекачивание" тепла из холодного места в теплее, что значительно эффективнее. Т.е. двигатель Стирлинга функционирует в режиме теплового насоса, и образовывает теплоту для целевого использования.

Криокулер Стирлинга также работает по принципу теплового насосу, но применяется как холодильная установка для получения очень низких температур. В широких масштабах их начали изготовлять уже 15-20 лет тому – преимущественно для использования в военной технике: на танках и самолетах необходимо было устанавливать высокочувствительные датчики и приемники, охлаждаемые до температуры -200°С. Для такого охлаждения и было разработано криокулери, работа которых основывается на обратном цикле Стирлинга.

Вообще и современная полупроводниковая электроника подошла в своем развитии к границе, обусловленной физическими законами. Дальнейшее повышение характеристик требует перехода к элементам, охлаждаемым к температурам -100°…-200°С. На мировых конференциях по электронике перспективынм на сегодня признано использования именно криокулеров Стирлинга. Модели криокулеров небольшой мощности выпускаются мелкими сериями и стоят $10000...15000. При условии перехода к многосерийному производству можно ожидать, что цены уменьшатся в несколько раз, что сделает их использование коммерчески рентабельным, сначала в таких системах как файлы-серверы и большие компьютеры, а в перспективе и в бытовых компьютерах.

Одной из нетрадиционных областей применения двигателя Стирлинга есть медицина. Его применяют в системах искусственного сердца. Источником энергии в таких системах, как правило, есть радиоизотопы.

Кроме упомянутых довольно экзотических областей применения двигателей Стирлинга, уже сейчас есть приемлемым их внедрения в когенерационных установках.

Когенерационные установки предназначены для полного использования энергии, которая высвобождается во время сгорания топлива. Часть этой энергии превращается в электроэнергию, остальная – в теплоту, которая используется для удовлетворения бытовых нужд. Т.е. двигатель производит электроэнергию, а теплота из его системы охлаждения, смазки и выпускной системы утилизируется и обеспечивает горячее водоснабжение, отопление помещений и т.п. Благодаря общему производству электрической и тепловой энергии в когенерационных установках обеспечивается значительная экономия топлива – до 30%.

Современная мировая энергетика развивается в направлении децентрализации энергоснабжения, которое оказывает содействие созданию автономных когенерационных установках.

В США и странах Европы, прежде всего Германии, уже начато серийное производство небольших теплоэлектрических установок с двигателем Стирлинга, например, для нужд одной семьи. Электрическая мощность установки составляет 2…9 кВт, тепловая – 8…24 кВт. Общий КПД установки достигает 92…94%,благодаря тому, что теплоту, которая не использована в двигателе, утилизировано в системе бытового теплоснабжения. Топливом для такого двигателя Стирлинга является природный газ. В конце 2001 года был изготовлен двигатель, топливом для которого служат отходы деревообрабатывающей промышленности. Теперь ведется разработка двигателя, топливом для которого станет биогаз.

Поскольку когенерационные установки с двигателями Стирлинга могут иметь небольшую мощность и применяют их преимущественно в частных домах, то производители ожидают, что, по крайней мере в Германии, спрос на них будет достигать 50000 установок на год. На 2002 год стоимость одной такой установки составляла 24000 $. С дальнейшим ростом спроса также ожидают уменьшения стоимости такой установки.

Запасы традиционного нефтяного топлива стремительно сокращаются. Газ, бензин, дизельное топливо дорожает. Поэтому применение альтернативных источников энергии – не просто перспективно, а единственно возможный способ выживания человечества. В развитых странах активно внедряют альтернативную энергетику. В частности, Швеция до 2020 года планирует полностью отказаться от традиционного топлива.

Все приведенные примеры применения двигателя Стирлинга реальные и практически реализованы. Тем не менее, до сих пор двигатели с внешним подводом теплоты не приобрели распространение, возможно, через стереотипность мышления, или инертность промышленного производства. Но современный мир изменяется, изменяются и приоритеты развития техники. Поэтому, целиком возможно, что вскоре двигатель Стирлинга придет почти в каждый дом, как тепловой двигатель, элемент системы отопления или составляющая домашнего компьютера.