Двигатель Стирлинга - прошлое, настоящее и будущее

Содержание
1. Введение
2. Принцип работы и устройство
3. Перспективы использования
4. Заключение
5. Список литературы
6. Приложения
Введение
21 сентября 1816 года в Эдинбурге, столице Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал машину, которую он назвал "экономайзер" (economiser ). В реальной жизни Роберт Стирлинг был священником шотландской церкви и продолжал вести службы, хотя ему к этому времени исполнилось восемьдесят шесть лет. В свободное время в своей домашней мастерской он конструировал тепловые машины. Одну из его работавших моделей позднее использовал лорд Кельвин для своих университетских лекций.

Один из первых двигателей Стирлинга
В то время двигатель Стирлинга получил признание как надежная паровая машина, которая никогда не взрывается, как это довольно часто случалось с другими типами паровых двигателей в те времена.
В 1850 простая и элегантная динамика двигателя Стирлинга была впервые теоретически описана профессором Рэнкином МакКорном ( Professor McQuorne Rankine ). Приблизительно через сто лет термин "Двигатель Стирлинга" был использован Рольфом Мейером (Rolf Meijer) для обозначения всех типов регенеративных паровых машин замкнутого цикла.
Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной, поскольку его теоретическая эффективность практически равна максимальной эффективности тепловых машин ( эффективность цикла Карно ). Двигатель Стирлинга работает за счет теплового расширения газа, за которым следует сжатие газа после его охлаждения. Двигатель Стирлинга содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между "холодной" частью (обычно комнатной температуры) и "горячей" частью, которя обычно разогревается за счет сжигания любого вида топлива, атомным реактором или за счет солнечного тепла. Нагрев производится снаружи, поэтому двигатель Стирлинга относят к двигателям внешнего сгорания.
С момента изобретения было разработано большое количество различных разновидностей двигателей Стирлинга с целью повышения мощности и эффективности. Тем не менее, они уступали по удельной мощности двигателям Отто и Дизеля. Двигатель Отто, изобретенный в 1877 году и двигатель Дизеля, изобретенный в 1893 имели более высокую уделбную мощность, чем двигатели Стирлинга того времени. Это привело к постепенному вытеснению двигателя Стирлинга из промышленности. Они еще широко применялись в начале нашего века на фермах и шахтах - в основном для приведение в действие различных насосов и других применений, где не требуется высокая удельная мощность, а основными критериями являются надежность и экономичность. Но к 1940 году их выпуск был прекращен.

Демонстрационная модель двигателя Стирлинга
Довольно долго двигатели Стирлинга использовались лишь как игрушки и учебные пособия в школах и университетах при изучении термодинамики. Но в последние годы интерес к двигателю Стирлинга быстро возрастает. Начат промышленный выпуск домашних электрогенераторов на двигателе Стирлинга ( см. приложение 1 ). Национальным Аэрокосмическим Агентством США (NASA) были проведены сравнительные оценки различных типов тепловых машин для использования в космической аппаратуре ( см. приложение 2 ). Двигатель Стирлинга был признан наиболее перспективным из-за своего высокого кпд и надежности. Выпускаются холодильные установки, работающие на обратном цикле Стирлинга - как промышленные, позволяющие получать температуру до -240 ⁰ С ( см. приложение 3 ), так и предназначенные для использования в бытовых холодильниках. В последнем случае их преимущества перед традиционными системами обусловлены тем, что в качестве хладогента в них может быть использован обычный воздух.
Таким образом, можно сказать, что история двигателя Стирлинга далеко не закончена. Его развитие входит в новый многообещающий этап.
Двигатель Стирлинга является тепловой машиной замкнутого цикла. Его работа основана на расширении газа, используемого как рабочее тело, при повышении температуры. На следующем рисунке приведены диаграммы для идеального цикла Стирлинга в координатах давление-обьем P-V и температура-энтропия T-S и иллюстрации соответствующих процессов.


На диаграммах цифрами обозначены точки, разделяющие этапы работы двигателя. На первом этапе (1-2) происходит изотермическое расширение газа. Далее, на следующем этапе (2-3) - охлаждение при постоянном объеме. Далее (этап 3-4) - изотермическое сжатие охлажденного газа. И наконец на этапе 4-1 разогрев при постоянном объеме. Полезная работа производится газом только на первом этапе. Все остальные происходят за счет запасенной части энергии (обычно, энергии вращающегося колеса).
Существуют два основных типа двигателей Стирлинга, отличающихся устройством цилиндров. В первом - так называемом двухцилиндровом (Two pistons type Stirling engine) используются раздельные цилиндры для нагревания и охлаждения рабочего газа.

Двухцилиндровый двигатель Стирлинга
На этом рисунке верхняя часть горячего цилиндра с поршнем (hot piston) постоянно разогревается внешним источником тепла, в то время, как верхняя часть холодного цилиндра с поршнем (cold piston) постоянно охлаждается. Следует обратить внимание, что поршни закреплены на коленчатом валу (crank shaft) так, что обеспечивают сдвиг по фазе на 90 градусов, т.е. в то время, как горячий поршень достигает верхнего положения, холодный находится в среднем положении, двигаясь вверх. Этот момент сооответствует этапу 2-3 на предыдущем рисунке - охлаждению при постоянном объеме. Затем холодный поршень поднимается вверх, сжимая охлажденный газ при постоянной температуре - этап 3-4. Когда холодный поршень вытесняет охлаженный и сжатый газ в горячий цилиндр, тот разогревается при постоянном объеме - этап 4-1. И наконец, горячий газ расширяется, толкая поршень в горячем цилиндре вниз - этап 1-2. На последнем этапе выделяется мощность, часть которой запасается вращающимся колесом (flywheel).
В другой конструкции - двигателе Стирлинга поршневого типа (Displacer type Stirling engine) - используется один цилиндр, одна сторона которого (верхняя на приведенном ниже рисунке) постоянно охлаждается, а другая - постоянно нагревается. Поршень-дисплейсер (displacer), разделяющий холодную и горячую части цилиндра, неплотно прилегает к стенкам цилиндра, что позволяет газу перемещаться между ними. В этой конструкции поршни так же закреплены на коленчатом валу со сдвигом по фазе на 90 градусов. Двигатель работаетпо тому же принципу, что и предыдущая конструкция.

Двигатель Стирлинга поршневого типа
И в той, и в другой конструкции тепловая энергия нагревателя преобразуется в механическую энергию вращения вала. Однако, возможно использование и обратного цикла Стирлинга - если за счет внешнего двигателя вращать вал в этих машинах, рабочий газ будет двигаться по тому же циклу. При этом "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а "холодный" - разогреваться. То есть двигатель Стирлинга в этом случае будет работать как тепловой насос, т.е. холодильная машина. Рабочим телом в нем может служить любой газ, в том числе и атмосферный воздух.
Перспективы использования.
Развитие науки и техники ривело к образованию новых "экологических ниш", в которых с успехом может применяться двигатель Стирлинга. Некоторые из них показаны на приведенных ниже рисунках.

Перспективные применения двигателя Стирлинга.
На первом из них показан пример солнечной энергетической установки (solar power system). Высокий к.п.д., простота и надежность конструкции двигателя Стирлинга обуславливают эффективность его использования в данных системах. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух. Роль такого экологически чистого источника энергии в современном мире легко оценить.
На втором рисунке схематически изображен тепловой насос Вуллемейера (Vuillemeier Heat Pump). Известно, что при использовании обратного цикла Срирлинга, т.е. если, например, приводить двигатель Стирлинга в движение с помощью какого-либо внешнего источника (например, еще одного двигателя Стирлинга), то "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а "холодный" - разогреваться. Если при этом разогревать "горячий" цилиндр (например, окружающим воздухом), то "холодный" цилиндр будет разогреваться до более высокой температуры. При этом внешняя энергия расходуется не непосредственно на разогрев, а на "перекачку" тепла из холодного места в более теплое, что гораздо эффетивнее. Для идеального случая к.п.д.такой системы может быть посчитан как

где
Т _с - абсолютная температура холодной части
Т _h - абсолютная температура горячей части
Поскольку даже в сильные морозы Т _с редко опускается ниже 250 градусов Кельвина, для поддержания Т _h на уровне 300 градусов Кельвина ( 27 ⁰ ) к.п.д. составляет 250/(300-250)=5. То есть, затратив 1 кВт ^. ч электроэнергии на работу теплового насоса, мы получим в 5 раз больше тепла, чем если бы подавали ту же мощность прямо на электронагреватель. Отсюда легко понять интерес к тепловым насосам на основе цикла Стирлинга.
На следующем рисунке представлен криокулер Стирлинга (Stirling cryocooler). Он работает по тому же принципу теплового насоса, но используется в качестве холодильной установки для получения очень низких температур. Далее будут более подробно описаны перспективы и преимущества устройств этого типа.
На последнем рисунке покан двигатель Стирлинга, установленный на атомной подводной лодке. Поскольку в этом случае вес и габариты двигателя не играют решающей роли, высокий к.п.д. и надежность делают его идеальным кандидатом для преобразования тепловой энергии, вырабатываемой атомным реактором, в механическую. Благодаря тому, что двигатель Стирлинга практически не нуждается в уходе и настройке, он может быть размещен в изолированной части корпуса, что особенно существенно в случае затрудненного доступа (как в случае подводных лодок или космических аппаратов). Так, специалистами NASA ( Национального Аэрокосмического Агентства США) были проделаны предварительные проработки проекта создания обитаемой базы на Луне ( см. приложение 2 ). Проектом предусматривается постепенное, "эволюционное" строительство базы - начиная с маленького обитаемого модуля и до большой производственой базы с полной обработкой полезных ископаемых. В качестве основного источника энергии для работы в условиях лунной поверхности был выбран атомный реактор SP-100 с тепловой мощностью 2500 кВт и 8 электрических генераторов, работающих от двигателей Стирлинга. Два из них предполагалось держать в резерве для обеспечения требуемого уровня резервирования мощности, а остальные планировалось использовать на 91.7 процентов от их номинальной электрической мощности (150 кВт). Таким образом, полная проектная электрическая мощность составляет 825 кВт. В качестве дополнительного источника на первом этапе строительства предусмотрено использование наращиваемых солнечных батарей. В проекте приводится подробное техническое описание реакторной установки, конструкции и теплового подсоединения двигателей Стирлинга, систем отвода тепла и распределения мощности.
Описанный лунный проект демонстрирует потенциальные применения двигателей Стирлинга в будующем. Если вернуться в настоящее время, можно привести, в качестве примера, начавшийся выпуск домашних электрогенераторов на двигателе Стирлинга ( см. приложение 1 ). В приведенном рекламном материале описан совмещенный нагреватель-электрогенератор WG800 мошностью 800 Вт на двигателе Стирлинга. Прибор универсальный, предназначен для использования как в домашних условиях, так и под открытым небом. Его преимущества - высокая надежность и автономность (5000 часов работы до первого технического обслуживания), низкий уровень шума - горючее сгорает непрерывно, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, где оно поступает в цилиндр порциями и там взрывается. В качестве топлива может использоваться природный газ, все виды жидкого топлива, уголь и даже дроваВсе это делает его чрезвычайно удобным для использования в удаленных от электосетей. На рынке доступны так же более мощные, 3 кВт, модели прибора.
Другой пример современного использования приборов, основанных на цикле Стирлинга - криокулеры. В широких масштабах их начали производить около десяти лет назад - преимущественно для использования в военной технике: на танках и самолетах требовалось устанавливать высокочувствительные охлаждаемые до температур порядка -200 ⁰ С датчики и приемники. Для их охлаждения и были разработаны криокулеры на основе обратного цикла Стирлинга. Ниже приводится краткое описание одного из отечественных криокулеров, которые в связи с конверсией поступили на открытый рынок.
Вообше говоря, современная полупроводниковая электроника подошла в своем развитии к пределу, обусловленному физическими законами. Дальнейшее повышение характаристик требует перехода к охлаждаемым до температур порядка -100 ⁰ -200 ⁰ С элементам. На последних конференциях по электронике (ISEC-97, EUCAS-97) активно обсуждаются различные способы охлаждения аппаратыры. На сегодняшний день наиболее перспективным признано использование криокулеров на цикле Стирлинга. Доступные в настоящее время, выпускаемые мелкими сериями модели маломощных криокулеров стоят порядка 10-15 тысяч долларов. При переходе к крупносерийному производству ожидается, что их цены упадут в несколько раз, что сделает коммерчески рентабельным использование охлаждаемых элементов сначала в наиболее ответственных системах - таких, как файл-серверы, и большие компьютеры, а в перспективе и в бытовых компьютерах. Таким образом, можно ожидать, что к середине следующего века, по мере распространения домашних компьютеров, двигатель Стирлинга придет практически в каждый дом
Заключение
После своего изобретения в 1816 году, двигатель Стирлинга пережил первый период своего широкого распространения - в конце прошлого - начале нашего века, после чего был практически забыт. Но в последние годы он вновь привлекает к себе повышенный интерес в самых разных областях использования. В настоящее время быстро расширяется использование криокулеров на основе цикла Стирлинга, выпускаются электрогенераторы, работающие от двигателей Стирлинга. Его преимущества - высокий к.п.д., надежность, неприхотливость, возможность использования экологически чистых источников энергии позволяют рассчитывать на широкое распространение двигателя Стирлинга в будующем.
Литература.
1. El-Genk, Mohamed S.; Editor (1994) A Critical Review of SPACE NUCLEAR POWERAND PROPULSION 1984-1993, American Institute of Physics Press
2. Organ, A. J. (1992) Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Cycle Machine, Cambridge University Press
3. Reader, G. T. and Hooper, C. (1983) Stirling Engines, E. & F. N. Spon
4. Urieli, I. and Berchowitz, D. M. (1984) Stirling Cycle Engine Analysis, Adam Hilger Ltd.
5. Walker, G. (1973) Stirling-Cycle Machines, Oxford University Press
6. West, C. D. (1986) Principles and Applications or Stirling Engines, Van Nostrand Reinhold Company, Inc.
7. Roberts, M.L.: Inflatable Habitation for the Lunar Base. Presented at the Symposium on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century, Apr. 5-7, 1988, Houston, TX, Paper Number LBS-88-266.
8. Conceptual Design of a Lunar Oxygen Pilot Plant--Lunar Base Systems Study. (EEI-88-182, Eagle Engineering, Inc., NASA Contract NAS9-17878) NASA-CR-172082.
9. Brinker, D.J.; and Flood, D.J.: Advanced Photovoltaic Power Power System Technology for Lunar Base Applications. NASA TM-100965, 1988.
10. A.C. Klein, NASA Lewis Summer Intern Report.
11. Personal communication from J. Alfred, NASA Johnson Space Center.
12. Bloomfield, H.S.: Small Reactor Power Systems for Manned Planetary Surface Bases. NASA TM-100223, 1987.
13. Slaby, J.G.: Overview of the 1988 Free-Piston Stirling SP-100 Activities at the NASA Lewis Research Center. NASA TM-87305, 1986.
14. English, R.E.; and Guentart, D.G.: Segmenting of Radiators for Meteoroid Protection. ARS J., vol. 31, no.8, Aug. 1961, pp. 1162-1163.
15. Bien, D.D.; and Guentart, D.C.: A Method for Reducing the Equivalent Sink Temperature of a Vertically Oriented Radiator on the Lunar Surface. NASA TM X-1729, 1969.
16. Roberts, B.B.; and Bland, D.: Office of Exploration: Exploration Studies Technical Report, Volume 2: Studies Approach and Results. NASA TM-4075-VOL-2, 1988.
17. Lee S. Mason and Harvey S. Bloomfield National Aeronautics and Space Administration Lewis Research Center, Cleveland, Donald C. Hainley Sverdrup Technology, Inc. NASA Lewis Research Center Group Cleveland SP-100 Power System Conceptual Design for Lunar Base Applications 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems. 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems sponsored by the Institute for Space Nucelar Power Studies, Albuquerque, NM, January 8-12, 1989