|
ДВИГАТЕЛЬ ШОТЛАНДСКОГО ПАСТОРА
В
последнее время внимание специалистов самых различных отраслей промышленности
вновь оказалось привлечено к двигателям Стирлинга. "Вновь",
потому что первое появление этого двигателя произошло почти 200 лет
назад, задолго до выхода на сцену привычного для нас двигателя внутреннего
сгорания. В чем же причина повышения интереса к машинам Стирлинга?
Несмотря на ученую степень доктора богословия, шотландский пастор Роберт Стирлинг (1790-1878) получил известность не из-за своих богословских трудов, а благодаря работам в области термодинамики и теплотехники. В 1816 г. Стирлинг получил патент № 4081 на "машину, которая производит движущую силу посредством нагретого воздуха". В 1827 и 1840 гг. он получил еще два патента (№ 5456 и 8652) на усовершенствованные варианты своей машины. В 1845 г. на литейном заводе в Данди была пущена машина Стирлинга мощностью 50 индикаторных лошадиных сил. Проработала она целых три года и "…была брошена из-за постоянной порчи нагревательных приборов". Другими словами, материал горячей части цилиндра не выдерживал одновременного действия высокой температуры и внутреннего периодически меняющегося давления. Преодолеть этот недостаток на уровне техники того времени было невозможно, ведь первые жаропрочные стали с относительно высокими механическими свойствами были созданы только через полвека.
Долгое время после этого двигатели Стирлинга не строились; только в конце XIX века было выпущено несколько образцов таких машин малой мощности. Затем в связи с успехами двигателей внутреннего сгорания машина Стирлинга была совершенно забыта. Только в 1938 г. началось возрождение "стирлингов", которое в 1960-1970 годах привело к развертыванию довольно широких исследований и даже промышленных разработок, связанных с идеей машины Стирлинга, и других технических систем, принцип действия которых так или иначе основан на цикле Стирлинга.
Термодинамический цикл Стирлинга.
Итак, цикл воздушной машины-двигателя, который был запатентован Стирлингом в 1816 г., появился за 8 лет до выхода в свет знаменитой работы Карно "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". Патент Стирлинга свидетельствует, что он совершенно четко представлял все условия, необходимые для наиболее эффективного превращения тепла в работу, впоследствии столь блестяще сформулированные Карно. Более того, предложенный им цикл (цикл Стирлинга) должен по праву занимать в термодинамике важное место, лишь немного уступающее циклу Карно. Обладая несколько меньшей общеупотребительностью, он, как и цикл Карно, может служить идеальным образцом для оценки процессов взаимного перехода тепла и работы.
Карно решил эту задачу наиболее общим путем, использовав обратимые процессы адиабатного сжатия и адиабатного расширения. Такой цикл из двух изотерм и двух адиабат - классический цикл Карно - известен уже 150 лет, и нет ни одного учебника термодинамики, где о нем бы не говорилось (см. "Двигатель" № 1 - 2005).
Стирлинг решил эту задачу иным способом. Он ввел в цикл тепловой машины регенерацию тепла (предложенная, по-видимому, впервые в мире Стирлингом регенерация тепла в дальнейшем сыграла огромную роль в развитии современной теплотехники, особенно техники низких температур) и тем самым дал другой способ связывания двух изотерм. В цикле Стирлинга нагревание и охлаждение рабочего тела производятся в изохорных процессах (при v = const). При этом охлаждающийся поток рабочего тела отдает тепло через регенератор нагревающемуся потоку.
Такой цикл из двух изотерм и двух изохор может служить таким же термодинамическим эталоном, как и цикл Карно. Возможно, Карно оценил бы этот цикл и рассмотрел его теоретически, поскольку цикл Стирлинга мог бы послужить блестящим примером универсальности идей Карно. К сожалению, он не знал содержания работ Стирлинга.
Несмотря на то, что оба цикла -
и Стирлинга и Карно - с термодинамических позиций в идеальном случае
равноценны, их особенности приводят к тому, что при реальном техническом
воплощении системы, на них основанные, существенно различаются по многим
показателям. В чем состоят принципиальные особенности этих циклов, обусловливающие
эти различия?
Прежде всего, циклом Карно можно объяснить газодинамические процессы,
протекающие как в поршневой машине, в которой в каждой точке системы
параметры рабочего тела переменны (в каждый момент времени в данной
точке другие температура и давление), так и в газотурбинной установке,
в которой в каждой точке системы параметры рабочего тела стационарны
(в каждый момент времени в данной точке температура и давление постоянны).
Другими словами, во втором случае каждый процесс осуществляется в отдельном
агрегате (а эти агрегаты соединены последовательно), в первом случае
все процессы производятся последовательно в одном и том же агрегате.
Цикл Стирлинга соответствует только нестационарным параметрам потоков
в каждой точке системы. Это означает, что и двигатель Стирлинга может
быть только поршневой машиной.
Второе существенное отличие связано с агрегатным состоянием рабочего
тела. Цикл Карно универсален и может проводиться как без изменения агрегатного
состояния рабочего тела, так и при таком изменении. Более того, наиболее
удобно изотермические процессы цикла Карно, как известно, реализуются
именно в двухфазной области пар-жидкость.
Цикл Стирлинга, напротив, предназначен
только для работы с газообразным рабочим телом. Чтобы размеры машин
при заданной мощности были приемлемыми, а внешний и внутренний теплообмен
рабочего тела в этих условиях проходил достаточно эффективно, давление
в машине должно быть существенно выше атмосферного. По тем же причинам
рабочее тело должно иметь малую вязкость, возможно большую теплопроводность
и, наконец, теплоемкость, мало зависящую от давления.
Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют водород и гелий.
Вместе с тем, как водород, так и гелий имеют некоторые недостатки. Главные
из них - большие удельные объемы, а также способность проникать через
уплотнения и конструкционные материалы. Поэтому идут непрерывные поиски
и других рабочих тел. Испытываются, в частности, воздух (возвращение
к первоначальному варианту Стирлинга), криптон, углекислый газ, а также
другие газы и смеси газов. В частности, представляют интерес рабочие
тела, которые в части цикла представляют собой двухфазную смесь газа
с некоторым количеством жидкости, что позволяет существенно улучшить
теплопередачу. Однако применение подобных рабочих тел может играть только
вспомогательную роль; цикл в основном остается газовым.
Наконец, третье существенное отличие циклов Карно и Стирлинга связано с интервалом рабочих давлений. В цикле Карно при большой разнице температур Т1 и Т2 необходимо вести расширение и сжатие в большом интервале давлений. Напротив, в цикле Стирлинга регенерация тепла позволяет работать в большом интервале температур при относительно малых отношениях давлений сжатия и расширения (что вообще характерно для регенеративных циклов).
Главный вывод из всего изложенного состоит в том, что двигатель Стирлинга позволяет при малых и средних мощностях получить высокую термодинамическую эффективность; однако решение технических задач, возникающих при создании реального образца такой машины, связано с большими инженерными трудностями.
Уже опыт работы первого двигателя, созданного Стирлингом в 1845 г., наглядно это показал. Машина мощностью 50 индикаторных лошадиных сил (31,5 л.с. на валу) имела цилиндр диаметром 406 мм и ход поршня 1220 мм. Температура подогрева Т1 составляла 345 °С и охлаждения Т2 - 65 °С. Сохранившиеся данные по расходу топлива позволили подсчитать энергетические характеристики двигателя. Индикаторный к.п.д. этой машины составил 11,5 %. Несмотря на то, что механический к.п.д. двигателя Стирлинга, как, впрочем, и других механизмов того времени, был низким, общий эффективный к.п.д. двигателя получался все же неплохим - 7,3 %. По этому показателю двигатель Стирлинга опережал паровые машины того времени.
Воздушно-тепловые двигатели широко применялись еще в XIX в. На протяжении некоторого времени считалось, что они как источники энергии могут конкурировать с паровым двигателем. Существовавшие в то время различные системы можно разделить на три группы: открытые системы, в которых для каждого цикла используется новая порция воздуха, подогреваемая непосредственно в камере сгорания, которая расположена вне цилиндра двигателя; открытые системы, в которых для каждого цикла также используется новая порция воздуха, но его нагрев происходит от "греющих" стенок, разделяющих воздух и топку; замкнутые системы, в которых одно и то же количество воздуха циркулирует в цикле.
Воздушно-тепловой двигатель, построенный Георгом Кайлеем в 1807 г., возможно, был первым двигателем, относящимся к первой из указанных групп.
Четыре тепловых воздушных двигателя, построенные шведским инженером Эриксоном в 1853 г. для корабля, носившего его имя, относятся ко второй группе по приведенной ранее классификации. По всей вероятности, это самые большие тепловые воздушные двигатели из числа когда-либо изготовленных: диаметр рабочих поршней был равен 4,2 м (!), а ход - 1,8 м. Предполагалось, что они смогут развивать индикаторную мощность 600 л.с., но при испытаниях она получилась вдвое меньшей. Однако расход топлива (около 1 кг угля на индикаторную л.с.) был существенно ниже, чем у паровых машин, применявшихся тогда на морских судах (около 1,4 кг/и.л.с.).
Оригинальное изобретение, сделанное Робертом Стирлингом, имеет отношение к двигателям третьей из указанных групп. Тепловой газовый двигатель, содержащий поршень, вытеснитель и регенератор, Стирлинг изобрел в 1816 г. Первая модель такого двигателя была использована в 1818 г. для откачки воды из каменоломни.
Роберт Стирлинг вместе со своим братом Джеймсом внес в последующие модели некоторые усовершенствования - такие, например, как использование компрессора для увеличения удельной мощности и поршня двойного действия для уменьшения утечек газа.
В двигателе внутреннего сгорания полезная работа производится в результате предварительного сжатия определенного количества воздуха, впрыскивания распыленного топлива (до или после сжатия), последующего нагрева этой смеси при быстром сгорании топлива и дальнейшего расширения при высокой температуре.
Принцип действия теплового воздушного двигателя аналогичен: сжатие определенного количества газа при низкой температуре и расширение при высокой. Однако нагрев здесь происходит совершенно иным способом: тепло к газу подводится извне, через стенку цилиндра. Поэтому для такого двигателя больше всего подходит название "двигатель внешнего сгорания". Из-за существенной теплоемкости стенки цилиндра невозможно, конечно, нагреть или охладить газ с помощью быстрого нагрева или охлаждения самой стенки. Стирлинг использовал периодическое изменение температуры газа, применив вытеснительный поршень (вытеснитель). Вытеснитель заставляет газ перемещаться в одну из двух полостей. Для первой полости характерна постоянная низкая, а для другой - постоянная высокая температура стенок.
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 отдает большое количество тепла
холодильнику; во втором - получает от нагревателя некоторое 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 часть тепла; 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 просто поршнем),
который сжимает "холодный" газ и "позволяет" ему
расширяться, когда тот нагрет.
Практически движения поршня и вытеснителя в двигателе, конечно, непрерывны, что обеспечивается посредством кривошипно-шатунного механизма.
