Тепловые двигатели

Двигатель с внешним подводом теплоты  давно востребован на рынке, но до сих пор в России серийно не выпускается, причина нет достойных  разработанных конструкций, позволяющих  вкладывать в них деньги. Попытки  некоторых компаний разработать  свой вариант двигателя не находили претворения по причине классического (автомобильного) подхода к решению  проблем двигателя. Нестандартный  подход к решению технических  проблем показал, что эти решения  существуют и они кардинально  повышают эффективность двигателя.

Разработка АДВПТ достаточно наукоемкая, плагиаторам быстро повторить (скопировать) разработку не получится. Двигатель  будет пользоваться огромным спросом, т.к. он решает массу задач, которые  трудно решить существующими методами, он имеет характеристики значительно  лучшие, чем продукт аналогичного назначения, имеющийся на рынке, его  показатели недоступны для конкурирующих  образцов. В свете его стратегического  характера, его цена может быть очень  высокой, что даст высокую маржу  и возможность развивать другие конструкции. Длинный жизненный  цикл позволит получать доход с услуг  по обслуживанию, модернизации, ремонту  двигателей. Двигатель очень перспективен для применения в разных областях народного хозяйства, что дает высокую степень системной инновационности, позволит создать технологическое дифференцирование на рынке и диверсифицированный портфель инновационных продуктов и услуг, т.е. позволит иметь различные варианты и номенклатуру исполнения для различных применений, что в свою очередь позволит уменьшить инновационные риски. Это идеальный проект для инвестирования, который позволит многие годы извлекать из него высокую прибыль и стать лидером в отрасли.

Финансовый риск производства двигателей с внешним подводом теплоты в  условиях дефицита энергетических ресурсов минимальный, т.к. сделать неработоспособный  двигатель с предлагаемым бесшатунным  преобразователем движения практически  невозможно. К тому же, любой успешный бизнес связан с продажей трех вещей - того, что делается, того, как это  делается, и акций фирмы. В техническом  плане риски незначительны, т.к. существует множество решений для обхода появляющихся трудностей.

Всё вышеописанное пока нигде не воплотилось в работающие технологии. Промышленность развитых стран ушла недосягаемо далеко в ряде областей машиностроения и энергомашиностроения, иногда их пути тупиковые, но в них  вложены огромные средства и эти  тупиковые технологии стали заложником этих средств и вынуждены «развиваться»  по ошибочному сценарию, они не могут  по экономическим причинам сойти  с ошибочного пути, что и случилось  с двигателем Стирлинга.

Преимущества АДВПТ:

- керамический блок цилиндров  - повышение термического КПД  за счет отсутствия уноса тепла  в охлаждение (адиабатный процесс), следовательно, повышенная экономичность,  а также снижение цены материала  и изготовления (ноу-хау);

- внутрицилиндровая регенерация,  дающая большую разность температур, а значит и более высокий  термический КПД (ноу-хау);

- анаэробность - возможность работы  под водой, в космосе, в пыльных  и огнеопасных условиях;

- многотопливность - применение любого  топлива или способа, дающего  тепло;

- исключительная экономичность  - топливо сжигается при атмосферных  условиях строго дозировано и  при большом избытке воздуха;

- эксплуатационная универсальность  - может использоваться везде,  где применяются двигатели внутреннего  сгорания и электродвигатели;

- экологичность - бесшумность работы  и малотоксичный выхлоп или  вовсе его отсутствие;

- технологичность производства - легкая  сборка из отдельных узлов  или деталей;

- возможность в разы увеличить  мощность (ноу-хау);

- способность трогания «с места» (ноу-хау);

- большой ресурс работы;

- возможность работы на сверхмалых  оборотах (ноу-хау);

- сравнимые с ДВС размеры  и масса;

- отличные характеристики в  любых режимах нагрузки;

- высокий крутящий момент на  всех режимах;

- широкая область применения.

5. Адиабатное дросселирование

Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные  сопротивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывают дросселирование газа или пара и, следовательно, падение давления. Иногда дросселирование специально вводится в цикл работы той или иной машины: например, путем дросселирования пара перед входом в паровые турбины регулируют их мощность. Аналогичный процесс осуществляется и в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, где мощность регулируется изменением положения дроссельной заслонки карбюратора.

Дросселирование газов и паров используют для  понижения их давления в специальных редукционных клапанах, широко применяемых в системах тепло - и парогазоснабжения различных предприятий, а также и в холодильной технике для получения низких температур и сжижения газов путем их многократного дросселирования .

Адиабатным дросселированием (или мятием) называют необратимый  переход рабочего тела от высокого давления p1  к низкому давлению p2  без теплообмена. При подходе к диафрагме поток, сужаясь, разгоняется, давление внутри его уменьшается, а на стенки трубопровода и диафрагмы вследствие торможения газа в застойной зоне оно несколько повышается. После прохождения отверстия  поток,  расширяясь  до  стенок трубопровода,  тормозится,  давление газа при этом возрастает.

Получение низких температур и, в частности, сжижение газов целесообразнее осуществлять методом  адиабатического расширения газов, а не дросселированием,    при    котором уменьшение температуры газов, как было  показано  выше,  возможно лишь при условии, если начальная температура газов будет ниже температуры инверсии. Однако в холодильных установках применяют дроссельный вентиль, а не детандер (расширительный цилиндр), так как потери эффективности  использования  установки  от  этого  не  так уж значительны, но зато, регулируя степень открытия вентиля, легко получать требуемое падение давления, а значит, и нужную температуру в охлаждаемом объеме.

ІІІ. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

История развития тепловых двигателей.

Ещё в давние времена люди старались использовать энергию  топлива для превращения её в  механическую. В XVII в. был изобретён  тепловой двигатель, который в последующие  годы был усовершенствован, но идея осталась той же. Во всех двигателях энергия топлива переходит сначала  в энергию газа или пара, а газ (пар) расширяясь, совершает работу и охлаждается, а часть его  внутренней энергии при этом превращается в механическую энергию. К сожалению, коэффициент полезного действия не высок.

История изобретения тепловых двигателей чрезвычайно интересна и поучительна, поскольку является историей наоборот. То есть здесь изобретение как бы опережает открытие. Едва физики разработали термометрическую шкалу (1742 г.), заложили основы молекулярного учения о теплоте (1744—1750 гг.) и ввели в науку понятие удельной теплоты парообразования (1757—1760 гг.), как сразу же изобретатели начали трудиться над созданием тепловой машины.

Принципов работы подобных механизмов тогда попросту не существовало, не были открыты все фундаментальные  газовые законы, никто не подозревал о связи теплоты и энергии. Получилось иначе. Инженеры начали старт к новым технологиям со скромной теоретической базы, которая разрасталась и пополнялась открытиями по мере совершенствования изобретений. В учении о теплоте теория и практика следовали бок о бок, взаимно обогащая друг друга.

Причины того, что практическое развитие тепловых двигателей несколько опередило теорию этих устройств, а затем следовало за ней по пятам, кроются в промышленном перевороте. Эпоха позднего средневековья и начала Нового времени ознаменовалась повсеместным распространением на производстве механизации. Однако механизация, всецело зависящая от мускульной силы, была одновременно и фактором, сдерживающим дальнейшее прогрессивное развитие индустрии. Первой тепловой машиной являлся паровой насос, причем одним из наиболее ранних устройств этого типа считается насос Сэвери, построенный в Англии в XVI столетии.

Пар из котла насоса Сэвери подавался  через перегонную трубку, снабженную вентилем, в специальный резервуар, заполненный водой. Поступающий под давлением пар вытеснял воду вверх по трубке, оснащенной клапаном. Затем пар остывал и конденсировался.

Давление в этой трубке падало, но вода не опускалась обратно, т.к. тому препятствовал клапан. Зато снизу поступала вода, которую и призван был втягивать насос. Машина Сэвери предназначалась для откачки воды из шахт и применялась до середины XVIII в.

Несколько раньше, в 1763—1766 гг., русским  изобретателем И.И. Ползуновым была сконструирована другая тепловая машина. Автоматический и непрерывно действующий паровой двигатель был рассчитан на приведение в движение станков, различных механизмов и подобных им устройств на алтайских металлургических и горнорудных заводах. Это была самая первая тепловая машина в истории, однако устройство сыграло, к сожалению, незначительную роль в развитии науки. О нем и его изобретателе никогда не узнали за рубежом и быстро забыли на родине.

Более совершенным паровым насосом, чем устройство Сэвери, явилась машина, изобретенная английским кузнецом Ньюкоменом. Она была оснащена главным элементом теплового двигателя — поршневым цилиндром, который отсутствовал у насоса Сэвери. Несмотря на явные преимущества перед ранними типами тепловых машин, двигатель Ньюкомена мог применяться лишь в насосных установках.

Он не был лишен принципиальных недостатков остальных паровых машин, не являлся автоматическим и действующим непрерывно. Машина работала лишь часть цикла, т.е. пока поршень шел вперед.

Обратного хода поршня обеспечить не удавалось. Кроме того, устройство работало при условии, что обслуживающий  персонал открывал и закрывал вентили.

Паровой агрегат непрерывного действия был сконструирован только в 1782 г. Дж. Уаттом. Изобретатель понял, что машина для поддержания непрерывного функционирования должна выбрасывать пар по завершении хода поршня. На эту идею Уатта натолкнула, если верить историческому факту, прыгающая на кастрюле крышка. Пар выпускался специальным регулирующим устройством, отдаленно похожим на современный золотник.

Функция, которую реализует  любой тепловой двигатель (далее  двигатель), заключается в том, что  бы (как в классике) взять и  поделить. В данном случае берётся  потенциальная энергия рабочего тела и делится на полезную работу и потери. Для этого дележа придумали  всего два принципа: либо использовать непосредственно давление рабочего тела, либо – разогнать его и  использовать уже кинетическую энергию  потока. Вот собственно и всё. Вся  масса созданных в настоящее  время двигателей базируется всего  лишь на комбинации этих двух принципов  и любой двигатель представляет собой машину, преобразующую энергию, преимущественно, одним или вторым способом. Иногда эти способы совмещаются  в одном двигателе в сопоставимых пропорциях.

Фактически вся громоздкая масса знания о двигателях имеет  этот, достаточно скромный базис. Всё  остальное, а в частности –  технологии расчёта и производства представляет собой надстройку, существенно  усложняющую понимание сути и, преимущественно, затрудняющую выход за заданные историей рамки развития двигателестроения.

В данном материале автор  не ставит задачей высказать своё мнение и знание относительно стратегической линии развития машин, преобразующих  энергию, т.к. и то и другое может  быть достаточно спорно, а спорить  автор считает безсмысленным. В  связи с этим здесь рассматриваются  только классические тепловые двигатели, базирующие на достижениях средневековой  физики и не представляющие собой  ничего принципиально нового. Здесь  будут показаны только критерии, сформулированные автором, и позволяющие (ИМХО) создать  класс машин, сочетающих в себе положительные  стороны тепловых двигателей и нагнетателей различного типа. Задача, стоявшая перед автором была чрезвычайно проста – создать на базе сформулированных критериев такое оборудование, которое позволит существенно потеснить объёмные и динамические машины (двигатели, насосы, компрессоры), преобладающие на рынке.

Типы двигателей

 Известное в настоящее время разнообразие двигателей на самом деле базируется всего на двух различных принципах действия:

• Двигатели, преимущественно использующие потенциальную энергию рабочего тела и
• Двигатели, использующие, преимущественно кинетическую энергию рабочего тела.

Всё известное разнообразие тепловых двигателей базируется только на этих принципах действия (МГД-генераторы и прочее пока оставим в стороне), при этом создаваемые двигатели, в зависимости от задач, реализуют  преимущественное использование либо потенциальной, либо – кинетической энергий.