Обзор двигателей с внешним подводом тепла

Двигатель с внешним подводом теплоты (двигатель Стирлинга) 

Двигатель Стирлинга является тепловым двигателем внешнего сгорания, т.е. тепло для рабочих процессов поступает из вне, в то время как в ДВС топливо сгорает внутри камеры сгорания. Источниками тепла могут быть горелки на разном топливе, солнечные лучи, дымовые газы котельных установок, солнечное излучение да и просто тепло руки. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. При нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении - уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга.
Газ в закрытом цилиндре использует цикл Карно, состоящий из четырёх фаз и разделённый двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга.

Рабочие циклы двигателя Стирлинга.
а) Изотермическое сжатие: поршень-вытеснитель 1 находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) и остается условно неподвижным. Газ сжимается рабочим поршнем 2, движущимся слева направо, и поступает в холодную полость 3 под поршнем-вытеснителем. Давление газа возрастает, а темпиратура остается постоянной, так как теплота сжатия отводится через стенки цилиндра 4 и холодильник 5 в окружающую среду при Т2.
б) Изохорное нагревание: рабочий поршень 2 находится вблизи ВМТ и остается условно неподвижным. Поршень-вытеснитель 1 движется от ВМТ и перемещает холодный сжатый газ из полости 3 в горячую полость 6 над поршнем-вытеснителем. При прохождении газа через регенератор 7, заполненой пористой насадкой, нагретой в предыдущем цикле, его темпиратура повышается от Т2 до Т1. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, давление газа в них повышается и достигает максимального значения.
в) Изотермическое расширение: поршень вытеснитель находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ) и остается условно неподвижным. Рабочий поршень 2 под действием давления газа движется справа налево, происходит расширение горячего газа в полости 6. Полезная работа, совершаемая рабочим поршнем 2, через кривошипно-шатунный механизм 8 передается на вал двигателя. Давление в цилиндрах двигателя падает, а температура газа в горячей полости 6 остается постоянной, так как к нему подводится тепло от горячего источника (например, горелки 9) через теплообменник-нагреватель 10 и стенки цилиндра 11 при Т1. Рабочий поршень 2 в этой части цикла одновременно сжимает газ, находящийся в герметичной буферной емкости-картере 12. Запасенная таким образом энергия идет на сжатие газа в процессе "а" следующего цикла.
г) Изохорное охлаждение: рабочий поршень 2 находится вблизи НМТ и остается условно неподвижным. Поршень-вытеснитель 1 движется к ВМТ и перемещает газ, оставшийся в горячей полости 6, в холодную полость 3. При прохождении через регенератор 7 горячий газ отдает свое тепло материалу пористой насадки и охлаждается от Т1 до Т2. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, давление газа в них продолжает падать и достигает минимального значения.

Двигатели Стирлинга подразделяются на три различных типа:

Альфа Стирлинг 
Содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению у, Альфа Стирлинга имеется ряд технических проблем, вызванных высокой температурой «горячего» поршня и его изоляции. 

Бета Стирлинг 
У двигателя бета-типа цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и "вытеснитель", изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор.


Гамма Стирлинг 
У гамма-типа тоже есть поршень и "вытеснитель", но при этом два цилиндра – один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется "вытеснитель"). Регенератор соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.  
информация с сайта http://www.topic.lt


Для объективной оценки конструкции двигателя, наиболее полно удовлетворяющей требованиям протекания термодинамического цикла с внешним подводом тепла, проведем сравнительный анализ наиболее известных конструктивных схем тепловых двигателей роторно-лопатного типа, внутреннего сгорания и с внешним подводом теплоты.


Двигатель с внешним подводом тепла Ржевского

Двигатель с внешним подводом, содержащий горячую и холодные газовые камеры, сообщенные между собой в верхней части через регенератор, а в нижней части – через дополнительную камеру, заполненную жидкостью, источники подвода и отвода теплоты, камеру привода, подключенную к холодной газовой камере в ее верхней части, и привод, отличающийся тем, что, с целью повышения его мощности, дополнительная камера выполнена в виде цилиндра, снабженного поршнем, размещенным в нем с возможностью перемещения между крайними положениями, причем каждая из газовых камер подключена при помощи пучка труб к цилиндру в зоне одного из крайних положений поршня, а источники подвода и отвода теплоты подключены к пучкам труб, соответственно примыкающим к горячей и холодной газовым камерам.


Авторское свидетельство SU 1052696 A СССР. 1.2.1. Двигатель с внешним подводом тепла. // Ржевский Н. Ф. – 1983.


Роторный двигатель с внешним подводом теплоты Стерка Мартина

Роторно-поршневой двигатель с внешним подводом тепла, содержит два рабочих узла, каждый из которых имеет цилиндр, внутри которого установлены с возможностью вращения два подвижных ротора с выходными валами с соответственно двумя секциями роторов (по два поршня в секции), причем между соответствующими разделительными поверхностями всех четырех секций роторов, а конкретно – между соседними поршнями, образуются четыре рабочих камеры, а оси симметрии роторов и соответствующих цилиндров расположены коллинеарно, в каждом рабочем узле выходной вал первого ротора выполнен полым, а выходной вал второго ротора размещён соосно и подвижно в выходном валу первого ротора, выходные валы роторов рабочих узлов механически связаны с устройством преобразования колебательного движения роторов во вращательное, имеются также устройства нагрева и охлаждения в соединении с системой труб между цилиндрами, через которую связаны между собой окна цилиндров, горячий и холодный трубопроводы системы труб (проходящие, соответственно, через нагреватель и охладитель), цилиндры, трубопроводы устройства нагрева, и охлаждения заполнены рабочим телом (газом). 

Недостатками данного двигателя являются низкая надежность, связанная с малой плавностью движения поршней и наличием сложных зубчатых передач, низкий к.п.д. некомпактная конфигурации рабочих камер (большая внутренняя поверхность рабочих камер) и большой длины трубопроводов, а также невозможность регулирования момента на выходном валу двигателя по причине отсутствия элементов для изменения среднего уровня давления рабочего тела (газа).

Патент DE19814742 Германии. Роторный двигатель с внешним подводом теплоты. // Стерк Мартин. – 2000.




Способы работы теплового двигателя и двигатель Романова

Изобретение относится к объемным тепловым двигателям с внешним подводом теплоты, работающим по термодинамическому циклу Стирлинга, и могут быть использованы в различных областях машиностроения для привода объектов, работающих автономно и в обычных атмосферных условиях. Двигатель содержит, по меньшей мере, одну кольцевую цилиндрическую камеру, ротор, выполненный в виде планшайбы с кольцевым цилиндрическим выступом, делящим полосы камеры на внутреннюю и наружную эксцентрические полости. В продольных прорезях ротора лопасти установлены на шарнирах. В камере выполнено два перепускных канала, один из которых проходит через рекуперативный теплообменник и сообщает межлопастные объемы лопастей. Второй перепускной клапан сообщает межлопастные объемы полостей при их минимальных величинах и проходит через рекуперативный теплообменник и внешний нагреватель. Приведен способ работы двигателя. Изобретение позволяет осуществить непрерывное превращение тепловой энергии в механическую с максимальным соответствием циклу Стирлинга.

Патент RU 2274756 Российской Федерации. Способы работы теплового двигателя и двигатель Романова. // Романов В. А. – 2006.


Когенерационная установка с двигателем Стирлинга

Изобретение относится к области автономной энергетики и когенерационных установок с двигателями Стирлинга и предназначено для одновременного производства электроэнергии и тепла. При работе двигатель Стирлинга (1) производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора (2). Для охлаждения двигателя (1) в его холодильную камеру (18) из системы охлаждения (3) попадает охлаждающая жидкость, которая передает тепло от двигателя Стирлинга в систему внешнего теплоснабжения (7) и окружающую среду с помощью теплообменников (11) и (5). Для обеспечения работы двигателя Стирлинга генераторный газ из газогенератора (13) по магистрали (14) подается в камеру сгорания (15). Для его горения по магистрали (6) подается предварительно подогретый воздух. Отработанные газы из камеры сгорания (15) по магистрали (12) подаются в теплообменник-утилизатор (8) теплоты отработанных газов, где передают свою теплоту теплоносителю системы внешнего теплоснабжения (7). Для повышения ресурса двигателя Стирлинга и увеличения долговечности работы камеры сгорания (15), часть отработанных газов по магистрали (16) возвращают в камеру сгорания (15), что обеспечивает снижение температуры горения смеси генераторного газа и воздуха. Для регулирования подачи отработанных газов в камеру сгорания (15) на магистрали (16) установлен регулирующий клапан (17).Патент WO 2007/067094 A1 Международная заявка. Когенерационная установка с двигателем Стирлинга. // Кириллов Н. Г. – 2007.



Двигатель с внешним подводом тепла Латыпова

Патентуемый двигатель с внешним подводом тепла содержит статор, уплотнительные элементы, профилированный ротор, установленный внутри статора с образованием двух камер переменного объема, соединенных между собой перепускным трубопроводом, нагреватель, регенеративный теплообменник и рабочий вал с шестерней. На внутренней поверхности ротора установлен зубчатый венец, взаимодействующий с шестерней, установленной на рабочем валу, а ось вращения рабочего вала смещена относительна центра ротора. Рабочий вал снабжен, по меньшей мере, одним роликом, взаимодействующим с внутренней поверхностью ротора. Наружный профиль ротора образован тремя одинаковыми дугами больших секторов и тремя одинаковыми дугами малых секторов. Дуги малых секторов размещены между дугами больших секторов и сопряжены с последними. Радиусы больших секторов включают в себя стороны равностороннего треугольника, внутри которого вписана окружность с центром, совпадающим с центром ротора, и выходят за пределы равностороннего треугольника. Радиусы малых секторов сходятся в вершинах равностороннего треугольника и совпадают с частями радиусов больших соседних секторов, выходящих за пределы равностороннего треугольника. Радиус большого сектора больше радиуса малого сектора на величину стороны равностороннего треугольника. Профиль внутренней поверхности статора образован овалом. Внутренняя поверхность ротора, взаимодействующая с роликом рабочего вала, и длительная поверхность зубчатого венца эквидистантны наружному профилю ротора, а уплотнительные элементы расположены в статоре. Технический результат заключается в повышении эффективности работы двигателя за счет снижения силы трения между ротором и статором.

Патент RU 2319848 Российской Федерации. Двигатель с внешним подводом теплоты. // Латыпов Р. А. – 2008.



Двигатель с внешним подводом тепла Холзакова

Изобретение относится к двигателям объемного вытеснения. Двигатель с внешним подводом теплоты содержит цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, средство подвода теплоты – нагреватель, средство отвода теплоты – холодильник и распределительный механизм. Распределительный механизм размещен в головке цилиндра и выполнен в виде золотникового вытеснителя. Золотниковый вытеснитель включает корпус с противоположно размещенными средствами подвода теплоты – нагревателем и отвода теплоты – холодильником, в котором установлен вращающийся цилиндрический золотник с выемкой на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость. Вытеснительная полость связана с рабочей камерой кольцевым каналом. Градусная мера центрального угла окружности основания цилиндрического золотника, внутри которого расположена выемка, формирующая вытеснительную полость, меньше 180°. Глубина – определяющий радиальный размер вытеснительной полости меньше ее длины – определяющего продольного размера. Объем вытеснительной полости меньше объема рабочей камеры. Техническим результатом является упрощение конструкции и уменьшение габаритных характеристик двигателя.

Патент RU 2343300 Российской Федерации. Двигатель с внешним подводом теплоты. // Холзаков С. А. – 2009.






Роторно-поршневая машина объемного расширения Драчко

Роторно-поршневая машина объемного расширения, включающая корпус (1) с круговой рабочей полостью и впускными (18) и выпускными (19) каналами, в которой расположены лопастные поршни (5, 6), установленные на двух соосных рабочих валах (2, 3), имеющих рычаги (4), которые посредством шатунов (10) соединены с кривошипными валами с закрепленными на них планетарными зубчатыми колесами, находящиеся в зацеплении с центральным неподвижным зубчатым колесом (12), включает: выходной вал (7), с эксцентриком (8), на котором установлены жестко скрепленные планетарное колесо (11) с водилом (9), которое шатунами (10) кинематически соединено с рычагами (4) обоих рабочих валов (2, 3).


На рисунках показано сечение роторно-поршневой машины по круговой рабочей полости, работающей по схеме Стирлинга, для различных текущих положений лопастных поршней на 1/3 оборота эксцентриситета эксцентрика выходного вала от условного 0° (верхнего) положения с отсчетом углов против часовой стрелки.

Патент WO 2009/072994 Международная заявка. Роторно-поршневая машина объемного расширения. // Драчко Е. Ф. – 2009.


Роторный двигатель Стирлинга

В этом двигателе основным нововведением является наличие промежуточного контура, выполняющего роль буферной емкости для отработанного газа и временного замедлителя, дающего возможность нагреть газ за время движении кулачка по промежуточному контуру. Размеры контуров можно менять, газовые магистрали также можно изменять, можно отказаться от клапанов, внутри ротора можно разместить электродвигатель, тем самым конструкция будет полностью герметичной, или заменить рекуператор регенератором, и т.п. Достоинство конструкции в относительной простоте, аналогичные схемы давно используются в гидронасосах высокого давления. Современные достижения трибологии позволяют обойтись без смазки и без "компрессионных" устройств. Роторный принцип имеет значительные положительные качества, которые недоступны поршневым двигателям, и первое из них - это миниатюрность, позволяющая сделать не только миниатюрным сам двигатель, но и разместить внутри него электрогенератор без существенного увеличения размеров. Другое важное преимущество - постоянство крутящего момента, т.к. плечо ротора постоянно. Еще одно преимущество - это строгая очередность протекания тактов - ротор переходит в следующий сегмент только после того, как полностью отработал в предыдущем, в поршневом же двигателе движение поршней подчинено синусоидальному закону, что снижает усилие газа на величину противодавления. К тому же, многие конструкции содержат газовый демпфер, т.е. картер под давлением, что также снижает мощность на величину противодавления в картере. Немаловажным качеством является и то, что отсутствуют возвратные движения, ротор движется только поступательно, нет необходимости демпфирования, что также увеличивает эффективный кпд. Еще одним положительным качеством является то, что в теплопереносе участвует весь объем рабочего тела, а не часть его, как в поршневых двигателях.

Более подробную информация можно найти на сайте http://efisakh.autodata.ru/club_stirling.htm.