CC BY
23Четвертая международная научно-техническая конференция
СЕКЦИЯ 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 621.43
А.С. Горячковская, С.Ю. Труднев
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА)
В материале рассмотрен двигатель Стерлинга. Приведены схемы рабочих процессов, изложен принцип действия, кратко изложена история создания. Выявлены основные недостатки и преимущества использования двигателя Стерлинга как двигателя внутреннего сгорания. Произведен анализ возможных областей применения двигателя Стерлинга и потенциальных фирм-производителей.
Ключевые слова: двигатель Стерлинга, двигатель внутреннего сгорания, датчик, КПД.
A.S. Goryachkovskaya, S.Y. Trudnev
Kamchatka State Technical University, Petropsvlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
INTERNAL COMBUSTION ENGINE (STIRLING ENGINE)
The article discusses the Stirling engine. The diagrams of working processes are given, the principle of operation is stated, the history of creation is briefly stated. The main disadvantages and advantages of using the Stirling engine as an internal combustion engine are revealed. The analysis of possible areas of application of the Stirling engine and potential manufacturing firms is carried out.
Key words: Stirling engine, internal combustion engine, sensor, efficiency.
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют столетнюю историю применения. Благодаря высоким показателям энергоэффективности, объемам продаж и информативности конструкции конкурентов и аналогов у ДВС фактически нет, однако за последние сто лет были спроектированы многие типы двигателей, имеющих КПД гораздо выше и более экологичные. Причиной, по которой аналоги не могут конкурировать с ДВС, является деятельность монопольных компаний-гигантов: РосНефть, General Motors, Tesla Motors, Ford Motors, производящих топливо для работы ДВС. Одной из альтернатив ДВС является двигатель Стирлинга, который был исследован на кафедре «Энергетические установки и электрооборудование судов». В результате исследования были выявлены особенности работы двигателя Стирлинга, его недостатки и преимущества.
Двигатель Стирлинга (ДС) (рисунок) является тепловой машиной, преобразующей подводимую к ней тепловую энергию в механическую на выходном валу [1-2].
Шотландский ученый Роберт Стирлинг изобрел ДС в 1816 г. в городе Эдинбурге за восемьдесят лет до изобретения дизельного двигателя, поэтому ДС был очень популярен в XIX в.
холодильник
длинный РОТОР КОРОТКИЙ РОТОР
□ ВЕТВЬ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
□ ВЕТВЬ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Двигатель Стирлинга
Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития
Отличительным и главным преимуществом ДС является его работа от любого теплоносителя: от обычного перепада температур до ядерного нагревателя и угольной печи.
Второстепенным, но немаловажным преимуществом, является простая конструкция ДС. Он не требует дополнительных систем, в том числе систем запуска, то есть не нуждается в стартере. Принцип управления скоростью вращения позволяет исключить применение коробки передач для такого двигателя. Отсутствие коробки передач и стартера значительно увеличивает ресурс в десятки и сотни часов непрерывной работы такого двигателя.
Немаловажным преимуществом является экономичность ДС. В системах преобразования солнечной энергии в электричество ДС могут дать КПД до 31,25%. При цикле Карно КПД «стерлингов» достигает 70%. КПД такого двигателя не зависит от скорости двигателя.
Амплитуда вибраций ДС составляет менее 0,0038 м, так как двигатель не имеет системы выхлопа и не шумит. Сам по себе двигатель не имеет никаких систем или процессов, способствующих грязному выхлопу в атмосферу или вообще загрязняющих окружающую среду, поэтому ДС более экологичен, чем ДВС. Экологичность ДС обусловлена источником тепла, полнота сгорания топлива проще, чем в ДВС.
Наряду с преимуществами, как и у любого устройства, у ДС есть и ряд недостатков. Основным недостатком является его массогабаритный показатель. Снизить громоздкость и материалоемкость ДС можно, получив характеристики, схожие с ДВС за счет высоких давлений и особых видов рабочего тела (водорода и гелия).
Область применения двигателей Стирлинга имеет широкий спектр: от генераторных агрегато-ров до систем отопления. Так, например NASA в электроэнергетических системах планирует внедрить генераторы на основе ДС, работающие от радиоизотопных источников тепла. Благодаря тепловым насосам при сжигании газа или мазута выделяемое тепло может поступать в системы отопления. ДС является тепловой машиной, поэтому может применяться в холодильных установках, в качестве рабочего тела используется окружающий воздух, поэтому холодильные установки на основе ДС обладают большой экономичностью. Свойства ДС в составе холодильных машин применяют для охлаждения датчиков в сверхточных приборах [3].
Большие перспективы в применении ДС имеет и военная отрасль (к примеру, шведские подводные лодки оснащены ДС). В расплавах солей происходит большой выброс тепла, поэтому данный химический процесс можно использовать в теплоаккумуляторах с запасом энергии гораздо выше, чем химических. Такие аккумуляторы намного дешевле популярных аналогов.
В современных реалиях двигатели внутреннего сгорания устарели не только технически, но и морально. В связи с этим ДС имеет большие перспективы, так как большинство исследований разных стран нацелены на зеленые технологии, и за ними будущее. Ввиду своей экологичности, малотоксичности отработанных газов, унифицированности топлива, низкого уровня шума, вибраций, большого ресурса качественной характеристики крутящего момента ДС вполне способен заменить двигатели внутреннего сгорания.
В разных странах фирмы-гиганты, такие как Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling, уже начали производство и внедрение ДС в разные технологические системы с достаточно высоким КПД (до 45%), моторесуром до 40 000 часов и мощностью до 1 200 кВт.
Литература
1. Григорьев Е.А. Периодические и случайные силы, действующие в поршневом двигателе. - М.: Машиностроение, 2002. - 272 с.
2. Лабейш В.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - СПб.: СЗТУ, 2003. - 79 с.
3. Шароглазов Б.А., Фарафонтов М.Ф., Клементьев В.В. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчёт процессов: Учебник по курсу «Теория рабочих процессов и моделирование процессов в двигателях внутреннего сгорания». - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2005. - 403 с.
