Но самое удивительное и самое важное не в том, что КПД регенеративных cтирлингов и эриксонов становятся равными. Главное в том, что они становятся равными КПД цикла Карно! А отсюда вытекает, что даже при 600–650 °С теоретический КПД двигателей внешнего сгорания составляет 70%!
Поражает и тот факт, насколько гениальную и остроумную машину создал Роберт Стирлинг еще в XIX веке: принципиальная схема и кинематика ее рабочей части целиком перекочевали в современные модели. Инженеры лишь тщательно изучили процессы регенерации тепла и предложили новые материалы для регенератора, доведя его эффективность до 95–97%. С целью увеличения мощности двигателя внешнего сгорания, а также улучшения компактности со-временные специалисты сделали рабочую часть двигателя изолированной от атмосферы и заполнили ее сжатым газом – гелием или водородом. Это позво-лило в настоящее время в России и весьма широко за рубежом создавать двига-тели внешнего сгорания, способные вступить в жесточайшую конкуренцию с двигателями внутреннего сгорания.
Классификация двигателей Стирлинга
Итак, неотъемлемой частью двигателей внешнего сгорания являются две полости с периодически изменяющимися объемами при различных температурных уровнях. Эти полости, как нам уже известно, соединены между собой посредством регенератора и вспомогательных теплообменников. Двигателями Стирлинга принято в настоящее время называть такие двигатели, в которых управление потоком рабочего тела происходит путем изменения объемов.
По принципу действия они могут быть классифицированы как двигатели одностороннего (простого) и двойного действия. В двигателях одностороннего действия две полости (сжатия и расширения), соединяемые теплообменниками, могут находиться в одном или в двух цилиндрах. В одноцилиндровых двигателях предусмотрены два поршня – рабочий и вытеснительный (рис. 2), а в двухцилиндровых – два рабочих или рабочий и вытеснительный. Каждая из рассмотренных компоновок представляет собой самостоятельные модули, из которых могут быть собраны многоцилиндровые двигатели с передачей мощности на общий коленчатый вал или другой механизм.
Рис. 2. Основные схемы двигателей Стирлинга
одностороннего действия: а – с рабочим поршнем
и вытеснителем в одном цилиндре; б – с рабочим поршнем
и вытеснителем в разных цилиндрах; в – двухпоршневые
(с двумя рабочими поршнями);
1 – рабочий поршень; 2 – вытеснитель;
3 – полость расширения; 4 – полость сжатия;
5 – регенератор; 6 – нагреватель; 7 – холодильник
Рис. 3 Схема работы двигателя двойного действия:
1 – полость расширения; 2 – нагреватель;
3 – регенератор; 4 – холодильник; 5 – полость
сжатия; 6 – рабочий цилиндр; 7 – шток; 8 – газовый тракт
Двигатели двойного действия – это многоцилиндровые двигатели, в которых полости расширения каждого цилиндра последовательно соединены через ряд теплообменников с полостью сжатия соседнего цилиндра. В цилиндре предусмотрен один поступательно движущийся элемент – поршень-вытеснитель. Число таких элементов в двигателе равно числу цилиндров. Большим преимуществом двигателей двойного действия по сравнению с двигателями одностороннего действия является сокращение в 2 раза числа поршней. Это упрощает кинематическую схему приводного механизма и снижает стоимость двигателя (рис. 3).
Все существующие конструкции двигателей Стирлинга можно свести к α-, β- и γ-модификациям (рис. 4). Такая классификация двигателей внешнего сгорания достаточно точно позволяет определить типы двигателей без необходи-мости тщательного изучения деталей конструкции:
Рис. 4. Модификации двигателей Стирлинга:
а – α-модификация; б – β-модификация; в – γ-модификация;
Н – нагреватель; R – регенератор; С – холодильник.
Двигатели α-модификации – это V-образные двигатели. Рабочая полость распределена между двумя цилиндрами, в одном из которых находится горячая полость, а в другом – холодная. Регенератор располагается между цилиндрами.
Двигатели β-модификации имеют только один цилиндр. Объем горячей полости изменяется с помощью поршня-вытеснителя. Изменение объема холодной полости происходит посредством движения как поршня-вытеснителя, так и рабочего поршня.
В двигателе γ-модификации аналогично двигателю β-модификации имеется рабочий поршень и поршень-вытеснитель. Однако они находятся в отдельных цилиндрах. Холодная полость разделена на два цилиндра, и, следовательно, ее минимальный объем всегда больше нуля.
Стирлинг может работать не только на жидком, но и на любом другом виде топлива – твердом и газообразном. Он может работать и совсем без топлива! Ведь нагреть часть рабочего объема через стенку цилиндра можно любым теплом – теплом, исходящим от ядерного реактора, от солнечных лучей, от расплава каких-либо веществ и т.д. Если же нагревательную головку стирлинга заполнить расплавом вещества, обладающего большой теплотой плавления, стирлинг без всякой дозаправки может работать несколько часов. Подсчитано, например, что 5 литров расплава окиси алюминия эквивалентны 1 литру бензина, а 8 литров расплавленного фтористого лития хватает для работы стирлинга мощностью 3 кВт (электрической) в течение пяти часов.
Естественно, современные стирлинги в десятки раз, если не в сотни, меньше, чем двигатели внешнего сгорания, построенные в XIX веке. Применение сжатого водорода или гелия в качестве рабочего тела позволило современным машинам настолько снизить размеры и интенсифицировать теплообмен в нагревателе, что двигатели стали на редкость компактными. Замкнув цикл, современные инженеры вынуждены были позаботиться о том, чтобы искусствен-но охлаждать рабочее тело. В двигателях Стирлинга появился охладитель, тогда как у прежних двигателей внешнего сгорания порции воздуха забирались прямо из атмосферы. Наличие нагревателя и охладителя, как бы компактны они ни были, увеличивает вес двигателя по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, но зато сообщает им еще одно чрезвычайно важное качество.
Изолированные от внешней среды, они практически не зависят от нее. Стирлинг может работать от какого-либо источника тепла всюду: под водой, под землей, в космосе – то есть там, где двигатели внутреннего сгорания, нуждающиеся в воздухе, работать не могут. И тогда-то у стирлинга появляются преимущества перед своими соперниками (ДВС) даже по весу.
Информация о двигателях внешнего сгорания будет неполной, если не упомянуть о своего рода «антистирлингах» – двигателях, превращенных в холодильные машины.
Еще в 1834 году было замечено: если вращать двигатель внешнего сгорания с помощью паровой машины и не разводить огонь под рабочим цилиндром, температура воздуха в нем понижается. На первый взгляд, в этом нет ничего удивительного. В принципе, у любого теплового двигателя есть свой «антипод» – холодильная машина, работающая по такому же циклу, но в противополож-ном направлении.
Поразительно вот что: если паровую машину, дизель или бензиновый дви-гатель вращать принудительно, никакого охлаждения не получится. Нужны специально сконструированные холодильные машины, чтобы реализовать обращенные циклы паровой машины, дизеля или бензинового двигателя. Двигатель же внешнего сгорания фантастическим образом совмещает в «едином лице» и тепловую и холодильную машину.
В 1945 году инженеры фирмы «Филипс» раскрутили электромотором опытную модель двигателя внешнего сгорания мощностью в 1 лошадиную силу и, к своему удивлению, с поразительной легкостью охладили его головку до минус 190 °С (83 °К). Однако, к сожалению, такие низкие температуры в то время были не нужны. И только после 1950 года, когда техника низких температур начала выходить из научных лабораторий в промышленность, снова вспомнили о стирлингах. Но об этом мы расскажем в следующем номере журнала.
(По материалам, опубликованным в российской и зарубежной печати).
В. П. Бреусов, д.т.н., профессор
