5.5. Схема и цикл работы машин Стирлинга и Эриксона [1].

Одной из главых причин использования
водяного пара как рабочего тела
расширительных машин была доступность
воды. И только значительно позже появились
проекты использования еще более
доступного рабочего тела – воздуха. По
сравнению с водой воздух необходимо
было вначале сжать, подвести к нему
теплоту для нагревания и только после
этого можно было получить от воздуха
работу. Сейчас этот аргумент выглядит
забавно, но в восемнадцатом и начале
девятнадцатого века это было достаточно
сложной задачей.

Первый патент на двигатель, использующий
нагретый воздух в качестве рабочего
тела получил в 1816 году в Англии священник
Роберт Стирлинг (работавший министром
по делам церкви Шотландии).

Двигатель Стирлинга почти не известен
и существуют только его прототипы. Он
представлял собой расширительную
машину, в цилиндре которой рабочее тело
(воздух) перед сжатием охлаждалось, а
перед расширением нагревалось.

Схема и принцип действия двигателя
Стирлинга приведена на рис. 5.21.

Рис. 5.21. Схема и принцип работы двигателя
Стирлинга.

В верхней части цилиндра имеется водяная
охлаждающая рубашка, а дно цилиндра
постоянно нагревается пламенем. В
цилиндре размещен рабочий поршень,
уплотненный поршневыи кольцами и
соединенный с коленчатым валом (на
рис.5.21 не показан).

Между дном цилиндра и рабочим поршнем
расположен поршень-вытеснитель,
двигающийся в цилиндре с большим зазором.
Заключенный в цилиндре воздух поршнем
— вытеснителем перегоняется или к
нагреваемому днищу цилиндра или к к
рабочему поршню.Поршень-вытеснитель
приводится в движение штоком, проходящим
через уплотнение в рабочем поршне, и
приводимым эксцентриковым механизмом,который
вращается с углом отставания около 900
по отношению к приводу рабочего поршня.

В положении а рабочий поршень
находится в нижней мертвой точке (НМТ),
и охлаждаемый стенками цилиндра воздух
заключен между ним и поршнем-вытеснителем.
В следующей фазе б поршень-вытеснитель
движется вверх, а рабочий поршень
остается в НМТ. Воздух между рабочим
поршнем и поршнем-вытеснителем
выталкивается в зазор между ним и
цилиндром ко дну цилиндра и при этом
охлаждается стенками цилиндра.

Фаза в является рабочей, в течение
которой воздух нагревается горячим
дном цилиндра, расширяется и выталкивает
оба поршня (рабочий и поршень-вытеснитель)
вверх к верхней мертвой точке (ВМТ).
После совершения рабочего хода
поршень-вытеснитель возвращается в
нижнее положение ко дну цилиндра и
выталкивает воздух через зазор между
стенками цилиндра в камеру под рабочим
поршнем. Воздух при этом охлаждается
стенками. В положении г холодный
воздух подготовлен к сжатию, и рабочий
поршень движется от ВМТ к НМТ. Так как
работа, затрачиваемая на сжатие холодного
воздуха меньше работы, совершаемой при
расширении горячего воздуха, то возникает
полезная работа:

(Работа расширения газа) – (Работа
сжатия газа) = Полезная работа

Акумулятором энергии, необходимой для
сжатия воздуха, служит маховик.

В описанном исполнении двигатель
Стирлинга имел низкий КПД, т. к. теплоту,
содержащуюся в воздухе, после совершения
рабочего хода, необходимо было отводить
в охлаждающую жидкость через стенки
цилиндра. Воздух в течение одного хода
порщня не успевал охлаждаться в
достаточной степени, поэтому приходилось
увеличивать время охлаждения, вследствие
чего частота вращения двигателя была
небольшой. Отведенная теплота терялась
полностью.

Двигатель Стирлинга представляет
интерес по нескольким причинам:

— в нем осуществлен замкнутый цикл
рабочего тела;

— в качестве источника тепла может быть
использовано любое горючее;

— теоретически цикл Стирлинга может
быть достаточно высоким.

Но в свое время эта идея двигателя не
была понята, а после внедрения двигателей
внутреннего сгорания, а позже газотурбинных
двигателей о нем просто забыли. Трудности
во время жизни имелись из-за отсутствия
необходимых материалов, способных
выдерживать рабочие нагрузки в деталях
двигателя.

В 30-х годах двадцатого века голландская
фирма «Филипс» начала исследования в
области создания двигателей небольшой
мощности. Двигатели предполагалось
использовать как источники электропитания
радиоаппаратуры. Инженеры этой фирмы
реализовали проект двигателя по циклу
Стирлинга мощностью 200 Вт. В 1948 году была
изготвлена партия двигателей в несколько
сот штук. Были продолжены работы по
совершенствованию, как конструкции,
так и цикла работы двигателя.

На рис.5.22 приведен вид современного
двигателя, работающего по циклу Стирлинга.

Рис. 5.22. Конструктивная схема современного
двигателя

Стирлинга с ромбическим
кривошипо-шатунным механизмом.

Прежде всего, был применен внешний
регенератор теплоты, через который
осуществлялась перекачка воздуха из
верхней части цилиндра в нижнюю часть
под действием вытеснителя. Последовательно
к регенератору был включен радиатор.
Регенератор аккумулирует теплоту
воздуха, поступающего после расширения
в холодную камеру. При течении воздуха
в оьратном направлении аккумулятор
вновь отдает теплоту воздуху. Радиатор,
размещенный за регенератором , отводит
только часть теплоты отработавших
газов, остальная часть сохраняется в
аккумуляторе и используется вновь.
Такое изменение компоновки двигателя
обеспечивает не только повышение
термического КПД двигателя, но и повышает
частоту вращения, что обеспечивает
возможность делать двигатель более
компактным.

Поршень 2 (рис.5.22) является рабочим. Он
передает давление (усилие) воздуха на
кривошипо-шатунный механизм, а вытеснитель
1 предназначен для перемещения воздуха
из верхней части цилиндра в нижнюю
часть. В положении а воздух из
пространства между двумя поршнями
поступает через радиатор 3 и регенератор
4 в трубки подогревателя 6 и затем в
верхнюю часть цилиндра. Трубки
подогревателя размещены в камере
сгорания, куда свежий воздух для сгорания
подается по каналам 7 и затем, проходя
через теплообменник, поступает в зону
распылителя форсунки 5; отработавшие
газы из подогревателя отводятся через
выпускной трубопровод 8.

В положении а воздух сжат
и при движении в верхнюю часть цилиндра
нагревается вначале в регенераторе, а
затем в подогревателе. В положении б
весь воздух вытеснен из пространства
между двумя поршнями и выполняет работу,
перемещая оба поршня в нижнее положение.
В положении в после совершения
работы рабочий поршень остается в нижнем
положении, а вытеснитель 1 начинает
выталкивать воздух из верхней части
цилиндра в пространство между поршнями
через регенератор, в котором воздух
отдает значительную часть остаточной
энергии, и радиатор, где воздух охлаждается
еще глубже.В последней фазе цикла г
 воздух охлажден и вытеснен из верхней
части цилиндра в пространство между
поршнями, где происходит его сжатие.

Сжатие холодного воздуха, поступление
его через регенератор и радиатор в
верхнюю часть цилиндра, последующее
расширение и охлаждение воздуха
представляют рабочий цикл. В цилиндре
сохраняется постоянная масса воздуха,
поэтому двигатель работает без выпуска
(выхлопа). Для подогрева воздуха можно
использовать любой источник тепловой
энергии. В рассмотренной схеме применен
котел на жидком топливе; содержание
вредных веществ зависит от полноты
сгорания топлива в камере сгорания
котла. Поскольку при этом создается
режим непрерывного сгорания при
относительно низкой температуре и
большом избытке воздуха, можно достичь
полного сгорания и небольшого содержания
вредных веществ. Таким образом, двигатель
Стирлинга является двигателем с внешним
подводом тепла.

Преимущество двигателя Стирлинга в
том, что он может использовать различные
источники теплоты и работать автономно.
Это обеспечивает возможность применять
его в космосе и в подводных лодках.

Согласование движение обоих поршней
обеспечивается ромбическим механизмом
привода. Для каждого из поршней имеются
свои коленчатые валы, соединенных парой
шестерен и вращающихся в противоположных
направлениях. Шток вытеснителя 1 движется
внутри пустотелого штока 2. Каждый из
штоков соединен со своим коленвалом.

Противоположное вращение коленвалов
позволяет разместить на них противовесы,
обеспечивающие уравновешивание сил
инерции первого порядка и их моментов
от возвратно-поступательного движения
масс поршней.

Ромбический механизм имеет еще и то
преимущество, что шатуны симметрично
передают усилия от штоков поршней на
коленчатые валы, а в подшипниках и
уплотнениях поршней не возникают боковых
сил. Последнее очень важно, так как для
работы двигателя с высоким КПД необходимо
высокое давление рабочего тела.

Рис.5.23. Цикл Стирлинга.

Еще одной моделью воздушного двигателя
с внешним подводом тепла оказался
двигатель шведского инженера Д. Эриксона,
появившийся в 1852 году. Тогда из Америки
в Англию прибыло судно с четырьмя
двигателями Эриксона. Схема такого
двигателя приведена на рисунке 5.24

Рабочий цилиндр двигателя устанавливался
вертикально, а под ним располагалась
топка. Компрессорный цилиндр располагался
сверху над рабочим. Рабочий цилиндр
через выхлопное окно соединялся с
теплообменником, а теплообменник имел
два поочередно перекрываемых патрубка:
первый –для сообщения с нагнетательным
клапаном компрессорного цилиндра,
второй — для сообщения с атмосферой. В
топке разводили огонь, воздух в рабочем
цилиндре нагревался и поднимал рабочий
поршень. При своем преремещении этот
поршень передавал усилие на механизм
отбра мощности и одновременно перемещал
поршень компрессора, сжимая находящийся
в компрессорном цилиндре воздух. Затем
открывалось выхлопное окно, и трабтавший
горячий воздух из рабочего цилиндра
выпускался в атмосферу через теплообменник..

Рис.5.24. Конструктивная схема двигателя
Эриксона.

Теплообменник был заполне медной сеткой,
и выходящий воздух нагревал эту сетку,
отдавая ей тепло, не использованное в
рабочем цилиндре. Затем в рабочий цилиндр
через теплообменник начинал поступать
сжатый воздух из компрессорного цилиндра.
Проходя через ячейки сетки теплообменника,
воздух нагревался апасенным в нем
теплом. Происходил процесс регенерации
потерянного тепла. После того как рабочий
цилиндр заполнялся, механизм отбора
мощности опускал поршень, сжимая заряд.
Цикл повторялся.

В описании своего двигателя Д. Эриксон
предусматривал возможность работы по
замкнутому циклу (без удаления рабочего
тела за пределеы двигателя). Вследствие
возврата части тепла двигатель Эриксона
должен был быть очень экономичным. Но
реальное исполнение показало, что он
уступал по экономичности паровым
машинам. Поэтому широкого применения
он не нашел.

ПОЛИГОН «Эриксон», или двигатель-надежда . Юный техник, 2001 № 08

В конце XVIII — начале XIX века многие страны прошли через эпоху справедливейшего мироустройства. Основу производства составляли мелкие мастерские. Трудился в такой мастерской обычно сам хозяин и его семья, лишь изредка брали работника со стороны. В отношениях между мастерскими господствовали честь и совесть. Трудолюбивые и умные богатели.

Идиллия была сметена фабричным производством, завалившим рынок дешевым товаром. Миллионы ремесленников пошли по миру. Горячие головы, чтобы сохранить сложившийся уклад, задумались о революции. Другие начали искать более тонкое решение, рассуждая так: что делает фабричную продукцию столь дешевой?

Паровая машина. Для ремесленника она слишком дорога. Однако, если дать ему маленький дешевый двигатель, то он за себя еще постоит!

Первым такой двигатель попытался создать в 1816 году Роберт Стирлинг, министр по делам церкви Шотландии.

Работал двигатель за счет расширения воздуха при нагревании. Вместе с братом Джеймсом, Р. Стирлинг работал над своим детищем на протяжении шестидесяти (!) лет, но успеха не добился. Сказалась нехватка технических знаний. Лучше подготовлен оказался офицер шведской армии, инженер Джон Эриксон, изобретатель винтовых пароходов и броненосных судов, конструктор паровозов.



Уже в 1833 году он установил в Лондоне воздушный тепловой двигатель мощностью в пять лошадиных сил.

От двигателя Стирлинга этот мотор отличался конструктивно. Был прост в изготовлении и выпускался в разных странах почти столетие. Топливом для «эриксона» служило все, что могло гореть: светильный газ, дрова, даже мусор. Стоило зажечь огонь, и через пару минут двигатель начинал работать. (Паровым машинам на это требовался час.)

При самом скромным уходе «эриксоны» работали десятки лет и, конечно, ремесленники охотно их покупали. Увы, спасти «золотой век» кустарного производства не удалось.

Но не двигатель Эриксона, конечно, тому виной. Машина настолько оригинальна, что используется и в наше время.

Рассмотрим вкратце принцип его работы (рис. 1).


Рис. 1


Сначала насос закачивал в резервуар воздух. Отсюда он попадал в рабочий цилиндр, дно которого подогревалось огнем топки. Воздух нагревался, расширялся и толкал поршень. А при обратном ходе поршень выталкивал его в атмосферу. Однако, выпустить воздух горячим означало даром выбросить тепло, ради которого сжигалось топливо.

Не выпускать его — вал не сможет вращаться. Джон Эриксон блестяще разрешил это противоречие, заставив воздух перед выходом в атмосферу пройти через регенератор — пакет металлических сеток. Им он отдавал запасенное тепло и выходил уже холодным. Следующая порция воздуха попадала в цилиндр, проходя через нагретый уже регенератор. Потому тепла для ее нагревания в цилиндре требовалось меньше.

Управлял потоками воздуха кран-золотник. Когда его канал занимал вертикальное положение, воздух, пройдя регенератор, уходил в атмосферу. При горизонтальном положении золотника воздух выходил из резервуара, шел через регенератор в другом направлении, нагревался и поступал в рабочий цилиндр.

Неудивительно, что «эриксоны» получились очень экономичными. Изобретатель полагал даже, что правильно сделанному двигателю топливо требуется лишь для запуска, а дальше он сможет работать за счет тепла, запасенного в регенераторе, и свою работу он называл первым удачным решением проблемы вечного движения.

Это было заблуждение. В то время еще не было известно о превращении теплоты в работу. Между тем часть тепла в любом двигателе обязательно в нее превращается.

Регенератор же мог сберечь лишь то, что осталось — неиспользованную часть тепла и всего лишь понижал расход топлива.

В 1852 году Эриксон решил построить воздушную тепловую машину мощностью в 1000 л.с. для корабля «Эриксон». Она имела четыре цилиндра с диаметром поршней 4,2 м при ходе 1,5 м и работала со скоростью девять оборотов в минуту. В нью-йоркской газете «Дейли таймс» от 12 января 1853 г. описано, как корреспондент поднимался и опускался, стоя на поршнях этого монстра. Мощность машины достигла лишь 220 л.с., а расход топлива оказался даже больше, чем у паровых машин. На сей раз даже блестящему практику Д. Эриксону не хватило теоретических знаний. Его попытка пересечь океан закончилась неудачей из-за поломки двигателя.

С тех пор не строили воздушные тепловые машины большой мощности. Одна- две лошадиные силы для привода станка или водяного насоса, несколько десятков ватт для настольного вентилятора — вот мощности, где их применяли.

Однако наличие золотника и клапанов сильно усложняло машину. Оставив в ней все ценное, что разработал Эриксон, последующие изобретатели добавили к ней так называемым вытеснитель — элемент, разработанный еще Стирлингом.

Получился простой и надежный двигатель совсем без клапанов. На рисунке 2 приведена схема его демонстрационной модели.


Она имеет рабочий цилиндр и сообщающийся с ним особый цилиндр, в котором происходит нагревание и охлаждение воздуха. Дно его подогревается горелкой, а верхняя крышка охлаждается водой. В этом цилиндре и перемещается вытеснитель — цилиндр, расположенный внутри основного, с зазором между стенками. Когда он движется вниз, воздух, касаясь раскаленного дна, нагревается, расширяется. Происходит рабочий ход.

Когда рабочий цилиндр выталкивает воздух, вытеснитель идет вверх, и воздух охлаждается, соприкасаясь с верхней холодной крышкой. При этом воздух передает свое тепло вытеснителю, и он становится регенератором.

Рабочий цилиндр модели можно изготовить из куска латунной трубки, а вытеснительный цилиндр — из консервной баночки от детского питания. Ее прочно заделанное дно выдержит высокую температуру горелки. Сам вытеснитель сделан из дерева. Его верх и низ обшиты тонкой листовой медью. Охлаждаемая крышка вытеснительного цилиндра припаивается после установки вытеснителя.

В весьма обстоятельной книге С. Баранова «Действующие модели тепловых машин», ОНТИ, 1936 г. , модель воздушного теплового двигателя рассматривается как очень простая, потому, видимо, ей отведено лишь несколько страниц без рабочего чертежа. Изготовление модели следует начать с вычерчивания эскиза в масштабе применительно к размеру имеющихся заготовок. Коленчатый вал делается из стали-серебрянки диаметром 4–6 мм. Для этого на стержень напаяйте щеки кривошипов (рис. 3) со вставленными в них штифтами.


Части, показанные красным цветом, нужно выпилить. Кривошипы закрепляются под углом 90 градусов.

По принципу этой демонстрационной модели работают современные двигатели Стирлинга. Рабочим телом в них служит не воздух, а гелий под давлением 200–300 атмосфер. Благодаря этому они получаются легкими и компактными, а по экономичности сравнимы с дизелями. Ожидается, что «стирлинг» может стать идеальным, экологически чистым и бесшумным двигателем для автомобиля.

Однако, несмотря на сотни миллионов долларов, истраченных США на его разработку, пока имеются лишь экспериментальные образцы.

Если вас всерьез заинтересует эта проблема, найдите изданную в 1985 г. книгу Г. Уокера «Двигатели Стирлинга». Не исключено, что и сегодня «стирлинг» ждет своего Эриксона, и модель станет вашим первым шагом на этом пути.

А. ИЛЬИН, рисунки автора.



Самодельный насос горячего воздуха Rider Ericsson 1/8th

крест
Участник