Мержиєвська Валентина
Присвячується проф.
Долганову К.Є.
Історія розвитку
21 вересня 1816 року в Единбурзі, в Шотландії,
Роберт Стирлінг патентує теплову машину,
яку називає economiser (сьогодні вона має назву
двигуна із зовнішнім підведенням теплоти,
або її називають, на честь винахідника,
двигун Стирлінга, двигун зовнішнього
згорання).
В той самий час війська Наполеона і Веллінгтона
зустрічаються в битві під Ватерлоо.
До публікації статті Ніколи Леонара Саді
Карно «Про рушійну силу вогню» ще 6 років
(ця робота заклала теоретичні основи
для створення теплових машин, в тому числі
і поширених нині двигунів внутрішнього
згорання).
До дня народження Рудольфа Дизеля – 42
роки. Свій двигун – дизель - він створить
ще через 39 років – у 1897.
Рис. 1. Роберт Стірлінг та його
перший двигун
На початку ХІХ століття
двигун Стирлінга було визнано найнадійнішою
паровою машиною, що ніколи не вибухає,
як це досить часто траплялося з іншими
типами парових двигунів. До того ж суттєвою
його перевагою була безшумність.
На 1908 рік конструкційна досконалість
двигуна Стирлінга дозволила запровадити
його в багатьох галузях техніки і економіки:
для приводу ткацьких верстатів, обертання
лопатевих коліс суден, подачі повітря
до церковних оргáнів. Їх застосовували
навіть на молокозаводі під час виробництва
сиру та в перукарні для обертання щúпців
для завивки волосся.
Незважаючи на такий успіх, до 20-тих років
ХХ століття розвиток Стирлінг-технологій
припинився. Двигуни, що випускали у значній
кількості до першої світової війни, зрештою,
були недостатньо економічними, насамперед
через відсутність придатних для їх виготовлення
матеріалів. Тому поява напередодні війни
електродвигунів і двигунів внутрішнього
згорання (далі – ДВЗ), що були більш економічними
і компактними, перешкодила подальшому
розвитку двигунів Стирлінга. Проте, моделі
невеликих потужностей випускали ще тривалий
час, до 50-тих років.
На сьогодні, завдяки появі високоміцних
термотривких матеріалів, електронних
систем управління і нових технологій
виробництва, двигун Стирлінга знову привертає
увагу фахівців. Теоретичні розрахунки
довели, що порівняно з ДВЗ, за умови застосування
сучасних матеріалів, він виграє за економічними
та екологічними показниками. І, зрештою,
на нього чекає воскресіння.
Принцип роботи двигуна
Стирлінга
Двигун Стирлінга – це поршневий двигун
із зовнішнім підведенням теплоти від
будь-якого джерела, в якому робоче тіло
перебуває у замкненому контурі і його
хімічний склад, під час роботи двигуна,
не змінюється.
Теоретична ефективність використання
теплоти в двигуні Стирлінга відповідає
найкращим зразкам ДВЗ, але практично
забезпечити високий ККД двигуна Стірлінга
можливо тільки за наявності ефективного
регенератора, що утилізує теплоту.
Питома потужність двигуна Стирлінга
(потужність на одиницю робочого об’єму)
відповідає потужності дизеля.
Зрештою, зупинимось на будові і принципі
роботи двигуна Стирлінга.
Тривала історія розвитку двигунів із
зовнішнім підведенням теплоти зумовила
створення великої кількості різновидів
цих двигунів. Однією з можливих конструкцій
двигуні Стирлінга є розташування циліндрів
під кутом 90°, як зображено на рис. 2.
У кожному циліндрі переміщується поршень:
у гарячому – робочий, в холодному - витискувач.
Поршні з’єднано із кривошипом колінчастого
валу шатунами.
Гаряча порожнина сполучена з холодною
через регенератор і охолодник.
Регенератор є тепловим акумулятором,
призначеним для запобігання втратам
теплоти. Він сприймає теплоту робочого
тіла при перетіканні з гарячої порожнини
в холодну і віддає її при зворотному перетіканні
робочого тіла. Матеріал регенератора
повинен мати високу теплоємність та низьку
теплопровідність, щоб уникнути передачі
теплоти до охолодника.
Охолодник сприймає основну частину теплоти,
яка відводиться від робочого тіла, що
зумовлено замкненим циклом двигуна Стирлінга.
Порівняно з дизелем, у систему охолодження
двигуна Стирлінга відводиться вдвічі
більше теплоти, тому й продуктивність
системи охолодження має бути вдвічі вищою.
Рис. 2. Одна з можливих схем
двигуна Стирлінга
Під час руху поршня вгору відбувається
стискання повітря в усіх порожнинах двигуна,
робоче тіло через регенератор, де відбирає
накопичену теплоту, перетікає у гарячу
порожнину. Теплоту до робочого тіла в
гарячій порожнині підводять ззовні крізь
стінки циліндра, від продуктів згорання,
що утворюються в камері згорання. Нагрівання
робочого тіла в гарячій порожнині зумовлює
підвищення його тиску в усіх сполучених
між собою порожнинах двигуна. Під дією
цього тиску робочий поршень переміщується
вниз, здійснюючи робочий хід, а робоче
тіло проходить регенератором, віддає
йому частину теплоти, охолоджується в
охолоднику і потрапляє до холодної порожнини.
Через зниження температури зменшується
тиск. Далі цей цикл повторюється.
Регулювання потужності може здійснюватись
у різні способи. Наприклад, зміною додаткового
об’єму, для чого двигун обладнують додатковим
поршнем з ґвинтовою передачею.
Двигуни Стрилінга мають
вагомі переваги порівняно з двигунами
внутрішнього згорання, такі як:
- незначна витрата мастильних матеріалів;
- дуже низькі викиди основних шкідливих
речовин, на порядок нижчі за ДВЗ, завдяки
сталому згоранню палива у сприятливих
умовах;
- незначна шумність двигуна Стиргінга,
що пояснюється відсутністю механізму
газорозподілу, а також плавним неперервним
процесом згорання, на відміну від вибухоподібного
згорання в циліндрах ДВЗ;
- невеликий обсяг технічного обслуговування;
- а також абсолютна різнопаливність двигуна
Стирлінга.
Насьогодні, виготовлення двигуна
Стирлінга потребує більших коштів,
ніж звичайного ДВЗ, проте його експлуатація
– значно ощадливіша (але витратність
виробництва можна пояснити непристосованістю
промисловості до виготовлення двигунів
Стирлінга).
Перспективи застосування
двигунів Стирлінга
Виняткова властивість двигунів Стирлінга,
що дозволяє застосовувати нетрадиційні
палива, наприклад, біогаз, вугілля і навіть
відходи деревообробної промисловості,
а також використання будь-яких інших
видів енергії робить їх особливо привабливими
з огляду використання енергії з поновлюваних
джерел.
Саме потреба в переході на поновлювані
джерела енергії сприяє розвитку невибагливих
двигунів Стірлінга в багатьох країнах.
Так в Індії, наприклад, двигуни Стирлінга
широко застосовано на рисових плантаціях
для приводу верстатів, призначених для
очищення рису від ошурок. І саме ці ошурки
є паливом для двигунів Стірлінга. Замкнене
коло.
Надзвичайно вигідним є застосування
стаціонарних двигунів Стирлінга, як силових
установок, у місцевостях з термо-геодезичними
аномаліями, наприклад, гейзерами. Постійним
джерелом теплоти є гейзер, а охолодником
– оточуюче повітря. Маємо безвідходне
виробництво енергії.
На автомобілях двигуни Стирлінга не набули
поширення, через значну питому вагу на
одиницю потужності, а також через складність
системи управління двигуном у швидкозмінних
експлуатаційних режимах. Хоча їх і застосовують
у складі комбінованих енергетичних установок,
як утилізатори теплоти викидів ДВЗ.
Рис. 3. Двигун Стирлінга для
яхти
А на таких транспортних
засобах як яхти, атомні підводні човни,
космічні кораблі, двигуни Стрилінга застосовують
доволі широко. Оскільки в цьому випадку
вага і габарити двигуна не є вирішальними
факторами, саме надійність визначає його
роль як ідеального кандидата для перетворення
теплової енергії у механічну. Завдяки
тому, що двигун Стирлінга практично не
потребує технічного обслуговування і
регулювання, його може бути розміщено
в ізольованій частині корпусу, що важливо
у випадку ускладненого доступу (на підводних
човнах або космічних кораблях). Наприклад,
NASA (National Aeronautics and Space Administration – Національна
Адміністрація Аеронавтики і Космонавтики
США) впритул займається розробкою і вдосконаленням
двигунів Стирлінга, успішно впроваджує
їх у космічних апаратах, проте детальна
інформація про такі розробки не розповсюджується.
Отже, розвиток науки і
техніки зумовив утворення нових
“екологічних ніш”, де з успіхом
може застосовуватися двигун Стирлінга.
Рис. 4. Сонячна енергетична
установка
Зокрема, на мал. 4 наведено приклад
сонячної енергетичної установки. Досить
високий ККД, простота і надійність
конструкції двигуна Стирлінга
зумовлюють ефективність його використання
в таких системах. Сонячне світло
фокусується увігнутими дзеркалами для
розігріву двигуна (як джерело тепла).
Охолодником може бути навколишнє атмосферне
повітря. Маємо екологічно чисте джерело
енергії, таке необхідне в сучасному світі.
Можливе також застосування
зворотного циклу Стирлінга. Якщо приводити
двигун Стирлінга в рух яким-небудь
зовнішнім пристроєм, тоді “гарячий”
циліндр охолоджуватиметься, а “холодний”
– розігріватиметься. Якщо при цьому
підігрівати “гарячий” циліндр, наприклад,
навколишнім повітрям, то “холодний”
циліндр розігріватиметься до вищої температури.
При цьому зовнішня енергія витрачається
не безпосередньо на розігрів, а на “перекачування”
тепла з холодного місця у тепліше, що
значно ефективніше. Тобто, двигун Стирлінга
функціонує в режимі теплового насосу,
і утворює теплоту для цільового використання.
Кріокулер Стирлінга також
працює за принципом теплового насосу,
але застосовується як холодильна установка
для отримання дуже низьких температур.
У широких масштабах їх почали виготовляти
вже 15-20 років тому – переважно для використання
у військовій техніці: на танках і літаках
необхідно було встановлювати високочутливі
датчики і приймачі, охолоджувані до температур
-200°С. Для такого охолодження і було розроблено
кріокулери, робота яких ґрунтується на
зворотньому циклі Стірлінга.
Загалом і сучасна напівпровідникова
електроніка підійшла у своєму розвитку
до межі, зумовленої фізичними законами.
Подальше підвищення характеристик вимагає
переходу до елементів, охолоджуваних
до температур -100°…-200°С. На світових конференціях
з електроніки найперспективнішим на
сьогодні визнано використання саме кріокулерів
Стирлінга. Моделі кріокулерів невеликої
потужності випускаються дрібними серіями
і коштують $10000…15000. За умови переходу
до великосерійного виробництва очікується,
що ціни зменшаться у кілька разів, що
зробить їх використання комерційно рентабельним,
спочатку в найвідповідальніших системах
– таких, як файл-сервери і великі комп’ютери,
а в перспективі й у побутових комп’ютерах.
Рис. 5. Штучне серце
Однією з нетрадиційних
галузей застосування двигуна Стирлінга
є медицина. Його застосовують у
системах штучного серця. Джерелом енергії
в таких системах, як правило, є радіоізотопи.
Рис. 6 Когенераційна установка
на базі двигуна Стирлінга
Окрім згаданих доволі екзотичних
галузей застосування двигунів Стирлінга,
вже зараз є прийнятним їх впровадження
у когенераційних установках. На мал.
6 зображено таку установку з двигуном
Стирлінга.
Когенераційні установки призначено для
найповнішого використання енергії, яка
вивільняється під час згорання палива.
Частина цієї енергії перетворюється
в електроенергію, решта – в теплоту, яка
використовується для задоволення побутових
потреб. Тобто двигун продукує електроенергію,
а теплота з його системи охолодження,
змащування та випускної системи утилізується
і забезпечує гаряче водопостачання, опалення
приміщень тощо. Завдяки спільному продукування
електричної та теплової енергії в когенераційних
установках забезпечується значна економія
палива – до 30%.
Сучасна світова енергетика розвивається
в напрямку децентралізації енергопостачання,
що сприяє створенню автономних когенераційних
установок.
У США та країнах Європи, насамперед Німеччині,
вже розпочато серійне виробництво невеликих
теплоелектричних установок з двигуном
Стирлінга, наприклад, для потреб однієї
сім’ї. Електрична потужність установки
становить 2…9 кВт, теплова – 8…24 кВт. Загальний
ККД установки сягає 92…94%, завдяки тому,
що теплоту, яка не використано в двигуні,
утилізовано в системі побутового теплопостачання.
Паливом для такого двигуна Стирлінга
є природний газ. Наприкінці 2001 року було
виготовлено двигун, паливом для якого
є відходи деревообробної промисловості.
Тепер триває розробка двигуна, паливом
для якого стане біогаз.
Оскільки когенераційні установки з двигунами
Стирлінга можуть мати невелику потужність
і застосовують їх переважно у приватних
будинках, то виробники очікують, що, принаймні
у Німеччині, попит на них сягатиме 50 000
установок на рік. На 2002 рік вартість однієї
такої установки становила 24 000 $. З подальшим
зростанням попиту також очікують зменшення
вартості такої установки.
Запаси традиційних нафтових палив стрімко
скорочуються: газ, бензин, дизельне паливо
дорожчає. Тому застосування альтернативних
джерел енергії є не просто перспективним,
а єдино можливим способом виживання людства.
В розвинених країнах активно впроваджують
альтернативну енергетику. Зокрема, Швеція
до 2020 року планує повністю відмовитись
від нафтових палив.
І Україна, зважаючи на скрутне становище
великої енергетики, «газові війни» тощо,
повинна шукати нетрадиційні шляхи енергозабезпечення.
Час від часу в новинах з’являються повідомлення
про те, що, наприклад: на одещині два брати
змайстрували біогазову установку і вдало
її застосувують у господарстві; фермер
з-під Львова забезпечує всі господарчі
потреби власноруч змонтованою біогазовою
котельнею; у селі Оленівка Дніпропетровської
області свиноферму обладнали біогазовою
установкою - енергії вистачає на освітлення
усього села, а відходи виробництва біогазу
є найкращим природнім добривом.
Саме для таких когенераційних
установок, зокрема на біогазі, двигун
Стиргінга є дуже вдалим рішенням. Його
невибагливість до якості палива є його
значною перевагою, порівняно з традиційними
двигунами внутрішнього згорання.
Усі наведені приклади застосування
двигуна Стирлінга реальні і
практично реалізовані. Проте досі
двигуни із зовнішнім підведенням
теплоти не набули поширення, можливо,
через стереотипність мислення, чи інертність
промислового виробництва. Але сучасний
світ змінюється, змінюються і пріоритетти
розвитку техніки. Тому, цілком можливо,
що невдовзі двигун Стирлінга прийде майже
в кожен будинок, як тепловий двигун, елемент
системи опалення або складова домашнього
компьютера |