Проблемы при регистрации на сайте? НАЖМИТЕ СЮДА!                               Не проходите мимо весьма интересного раздела нашего сайта - проекты посетителей. Там вы всегда найдете свежие новости, анекдоты, прогноз погоды (в ADSL-газете), телепрограмму эфирных и ADSL-TV каналов, самые свежие и интересные новости из мира высоких технологий, самые оригинальные и удивительные картинки из интернета, большой архив журналов за последние годы, аппетитные рецепты в картинках, информативные Интересности из Интернета. Раздел обновляется ежедневно.                               Всегда свежие версии самых лучших бесплатных программ для повседневного использования в разделе Необходимые программы. Там практически все, что требуется для повседневной работы. Начните постепенно отказываться от пиратских версий в пользу более удобных и функциональных бесплатных аналогов.                               Если Вы все еще не пользуетесь нашим чатом, весьма советуем с ним познакомиться. Там Вы найдете много новых друзей. Кроме того, это наиболее быстрый и действенный способ связаться с администраторами проекта.                               Продолжает работать раздел Обновления антивирусов - всегда актуальные бесплатные обновления для Dr Web и NOD.                               Не успели что-то прочитать? Полное содержание бегущей строки можно найти по этой ссылке.                              

"Всеядный" и "на изнанку". Часть 1-я

В одной из недавних публикаций под названием "Резервное питание. Если в пути накрыл форс-мажор" речь шла о том, что в критической ситуации можно залить в бак автомобиля. Как выяснилось, двигатель может работать на альтернативных видах топлива, правда не одинаково хорошо. Одни горючие жидкости проявили себя лучше, другие наоборот. Вкратце напомним. Лучше всего зарекомендовали себя скипидар, керосин, бытовой газ из баллонов с редуктором и газ в "китайских" баллончиках для походных горелок. Дизельное топливо, ацетон, растворители, этиловый спирт и еще кое-какой алкоголь проявили меньшую преемственность, хотя на "крайний случай" могут быть использованы. Получается, что двигатель внутреннего сгорания вещь довольно капризная. Причина этому – сгорание топливной смеси в ограниченном объеме при переменном давлении. Сам процесс сгорания больше напоминает взрыв, почему и существует такое понятие как "детонационная стойкость топлива". Если ваш двигатель рассчитан на 95-й бензин, а вы залили или разбавили 80-м или 76-м, то "эффект" ощутится сразу, в виде характерных звуков. Такая работа для двигателя неблагоприятна.

Но существует разновидность двигателей которым все равно на каком топливе работать. Это двигатели работающие по циклу Стирлинга. Более распространенное название — "Двигатель Стирлинга". Об этом двигателе уже неоднократно писали. Вот некоторые ссылки по теме (если не активная — оригинал здесь)

Что же это за двигатель такой диковинный? Как у него получается работать на любом топливе? И если он такой "всеядный", то почему широко не используется до сих пор? Об этом речь пойдет дальше.

От автора: Возможно кто-то из читателей уже знаком с двигателями такого типа, кто-то слышал, но подробностей не знает, кто-то может не знать ничего и ему будет интересно узнать новое. Не буду слишком перегружать читателей заумными научными формулировками и тонкостями, постараюсь изложить в доступной форме, так чтобы и знатокам было интересно и тем кто еще не знает. Хотя кое-где без формул и специфических терминов не обойтись. Чтобы излишне не раздувать содержание публикации в тексте будет много ссылок на другие источники (зачем "копипастить" все подряд?) и литературу из которой взят данный материал. Заранее извиняюсь за местами некачественный графический материал.

С двигателем внутреннего сгорания (ДВС) мы сталкиваемся практически ежедневно. Автомобили легковые и грузовые, маршрутные такси и автобусы, дизельные поезда, корабли, а также легкая и средняя винтовая авиация. ДВС настолько распространен и привычен, что порой кажется, что других типов двигателей и не существует. Еще в школе на уроках физики учителя демонстрировали его модель.

На самом деле это не так. Существуют и другие типы двигателей внутреннего сгорания. В силу ряда причин они получили меньшее распространение. В следующей публикации о них будет рассказано подробнее.

Сегодня речь пойдет о другом типе двигателя – "двигателе внешнего сгорания" или "двигателе Стирлинга". Для работы двигателя используется внешний подвод теплоты и в дальнейшем (чтобы избежать путаницы с терминами) введем формулировку "Двигатель с Внешним Подводом Теплоты" или сокращено ДВПТ. Откуда же взялся такой двигатель? Кто его изобрел?

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом в Эдинбурге, столице Шотландии 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081 на "машину, которая производит движущую силу посредством нагретого воздуха"). 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 рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. Двигатель Стирлинга был изобретен приблизительно за 80 лет до дизеля, и поэтому пользовался значительной популярностью до начала ХХ века.

В 1827 и 1840 годах Стирлинг 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.

В XIX веке инженеры хотели создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара и неподходящих материалов для их постройки. Хорошая альтернатива паровым машинам появилась с созданием двигателей Стирлинга, который мог преобразовывать в работу любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает газ — воздух, гелий, водород и другие.

Более подробную информация для ознакомления с данным типом двигателя можно найти здесь

Двигатели Стирлинга подразделяются на следующие основные типы:

Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура "горячего" поршня создаёт определённые технические проблемы.

Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и "вытеснитель", изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, частью теплообменника, или совмещённым с поршнем-вытеснителем.

Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и "вытеснитель", но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется "вытеснитель"). Регенератор соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.

Существуют также другие разновидности, роторные, роторно-лопастные, свободнопоршневые простого и двойного действия.

Роторный двигатель Цвауэра-Ванкеля. Пока ни одна из попыток не привела к коммерческому воплощению системы (Может у кого-то из читателей в будущем получится)

Двигатель Рини с "косой шайбой". Довольно удачная компактная схема.

Роторно-лопастный двигатель. Успешные работы по данному типу двигателя ведутся в Псковском госудраственном политехническом институте, что не может радовать. Подробнее здесь

Бесшатунные двигатели разрабатывались в СССР Баландиным Сергеем Степановичем. Он является конструктором поршневых авиационных двигателей необычной бесшатунной схемы. Эта схема незаслуженно забыта. Подробнее здесь

Вообще двигатели Стирлинга имеют много схематических аналогов среди ДВС. Это и не удивительно, ведь их рабочие циклы похожи

А теперь рассмотрим основные преимущества и недостатки данного типа двигателей.

Преимущества двигателя Стирлинга.

* "Всеядность" двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.

* Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.

* Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих "нежных" агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.

* Экономичность — в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (более 30 %), чем паровые машины. По сравнению с ДВС городских автомобилей двгатели Стирлинга расходуют на 15-20% меньше топлива и этот показатель будет улучшаться

* Бесшумность (точнее — малошумность) двигателя — стирлинг не имеет выхлопа, а значит — меньше шумит. Шумы при работе двигателя создают движущиеся части. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, почти не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм). (Вспомните какие неудобства создает та же стротельная техника надоедливым гудением компрессоров и генераторов. Вот было бы хорошо если вместо ДВС стали использовать "стирлинги")

* Экологичность — сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания. Потому, что в "стирлингах" процесс горения топлива происходит при постоянном давлении и достаточном количестве воздуха.

(Коментарии, как говорится, излишни.)

Недостатки:

* Материалоёмкость — основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

* Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела — водород, гелий. Эти газы обладают повышенной текучестью, что вызывает существенные проблемы с уплотнением движущихся частей двигателя в рабочем объеме.

* Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

* Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Недостатки конечно вещь неприятная, но у более распространенного ДВС тоже есть много недостатков, тем не менее он широко используется. В отличии от ДВС действующую модель двигателя Стирлинга несложно изготовить самостоятельно. Очень рекомендую материал который находится здесь. Даже продаются наборы для сборки.

Более продвинутый полезный материал можно посмотреть здесь.

Также много интересных примеров можно посмотреть здесь и здесь и еще бесчисленное количество примеров которые можно найти через поисковые системы.

О двигателе Стирлинга писали технические и научно-популярные журналы. "Техника молодежи" №1 за 1996 год и №10 за 1979 год, "Юный техник" №9 за 1984 год, "Изобретатель и рационализатор" №5 за 1980 год, "Катера и яхты" №3 за 1986 год и ряде других.

Материал из журнала "Юный техник" о самостоятельном изготовлении модели двигателя Стирлинга доступен здесь и здесь и еще ряде других источников.

Небольшое отступление.

От автора:

Впервые работающую модель двигателя Стирлинга мне довелось увидеть еще в школьной мастерской. Когда учился в школе, часто туда заходил и не из праздного любопытства, а потому, что занимался в кружке, как и многие ребята в то время. Это было осенью 1984 года (как раз вышел сентябрьский номер "ЮТ"). Зашел я на перемене и увидел, что на раковине для мытья рук стоит некий агрегат цилиндрической формы из жести и на нем крутятся колесики, а под ним горит спиртовка. Я сначала подумал, что это паровая машина, но привычного "чух-чух" не было как и выбросов пара. Я спросил у трудовика: "Что это такое?". В ответ я услышал слово, которое сразу ассоциировалось с английской валютой (фунтом стерлинга). Потом, позже я разобрался, в чем разница. Оказывается старшеклассники-кружковцы собрали модель по описанию из "ЮТ" который недавно вышел из печати. Только в отличие от описанного в журнале эта модель была большего размера и вместо внешнего резервуара с водой использовала проточную систему прямо из водопроводного крана, почему и была установлена на раковине. Свою модель я собрал вместе с другом по другой схеме, которая была опубликована в иностранном журнале (название не помню, давно было). Журнал этот попал к нам от двоюродного брата моего друга-моряка загранплавания. Там была опубликована интересная модель двигателя Стирлинга собранная из жестяных банок, похожая на нижеприведенной иллюстрации.

Только в нашем случае мы сделали иначе шатунный механизм. Использовали банки из под "Пепси-Колы" которая в то время, как экзотика появилась на советских прилавках, банок из под кофе, велосипедных спиц и пары дощечек. Движок работал от зажженного куска "сухого горючего". Мы даже прицепили на вал небольшой пропеллер, надеясь таким образом получить вентилятор. Но вентилятор из него получился, прямо скажем, никакой. Модель все таки.

Но все это игрушки. А как обстоит дело с практическим применением двигателя Стирлинга?

Долгое время 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.

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.

Как говорилось выше, в в Псковском госудраственном политехническом институте ведуться работы над роторно-лопастным двигателем Стирлинга. Достигнуты интересные результаты. Смотрите нижеприведенную таблицу:

Красным цветом выделены показатели имеющие преимущества перед двигателями других схем.

Например используемый газ СО2, а не водород или гелий, да еще при более низком давлении, что существенно упрощает создание уплотнений. Температура нагрева ниже, а охлаждения выше, то есть менее требовательный. Удельная и объемная мощность выше, а удельная масса приблизилась к бензиновым ДВС. Правда КПД ниже. Если представленные данные верны (не спешите записывать изобретателей в "Петрики", лучше постарайтесь детальнее разобраться), то у данного типа двигателя есть немалый потенциал для совершенствования. Возможно это связано с особенностями схемы самого двигателя. Возможно кто-то из читателей сможет в будущем создать более совершенный двигатель.

На этой оптимистической ноте рассказ о двигателях Стирлинга не заканчивается. Во второй части о применении данного типа двигателей.

Автор: voyager2 / источник
.:: Статистика ::.
Пользователи
HTTP: 6
IRC: 3
Jabber: 0
( состояние на 15:18 )
ADSL-газета: Ежедневно свежие анекдоты, гороскоп, погода, новости, ТВ-программа, курс валют

Интересности из Интернета: Интересные статьи на разнообразные темы, найденные на просторах интернета

Компьютерная консультация

Единый личный кабинет