Двигатели стирлинга

ЧЕМ ОБЪЯСНЯЕТСЯ РОСТ ИНТЕРЕСА К ДВИГАТЕЛЯМ СТИРЛИНГА?

Двигатели Стирлинга существуют еще с прошлого века Некоторый интерес к этим двигателям проявляли и ранее, од­нако только в последнее время интерес к ним стал настолько активным, что, возможно, приведет к коммерческой выгоде их производства. Несомненно, что в настоящее время интерес к двигателям Стирлинга вызван их потенциальной экономич­ностью в расходовании топлива. Однако имеется много путей экономии топлива, удовлетворяющих нормативным требовани­ям, и двигатели Стирлинга должны иметь какие-то другие до­стоинства и преимущества, привлекающие к ним внимание. В основных чертах этот вопрос уже разбирался в разд. 1.6. В настоящем разделе достоинства двигателей Стирлинга будут проанализированы более подробно.

Достоинства этих двигателей и основные характеристики, их определяющие, известны уже давно. Поэтому простое перечи­сление свойств, вновь вызвавших повышение интереса к двига­телям Стирлинга, не даст полного ответа на поставленный во­прос, и весьма важно, чтобы свойства двигателей Стирлинга были сопоставлены с требованиями, которые будут предъяв­ляться в будущем к устройствам для получения механической энергии. Следует отметить, что интерес к альтернативным дви­гателям существовал с момента появления тепловых двигате­лей. В противном случае не был бы возможен прогресс таких источников механической энергии, применяемых в настоящее время, как газовые и паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием и воспламенением от сжатия, роторные двигатели внутреннего сгорания и т. д. Поскольку в XX в. социальные и технические требования с течением време­ни изменяются, это является постоянным стимулом поиска но­вых форм источников механической энергии. Двигатель Стир­линга не исключение. Поэтому, прежде чем детально анализи­ровать положительные особенности двигателя Стирлинга с точ­ки зрения существующих в настоящее время энергетических проблем, мы кратко коснемся тенденций, которые привели к повторному открытию этого двигателя.

Вплоть до середины 60-х годов основными направлениями исследований в области тепловых двигателей были снижение их стоимости и повышение надежности. Растущая озабоченность загрязнением окружающей среды выбросами тепловых и осо­бенно автомобильных двигателей привела в конце 60-х годов к поиску двигателей, которые обеспечивали бы уменьшение вред­ных выбросов либо за счет совершенствования современных конструкций, либо за счет каких-то присущих новым двигателям особенностей протекания рабочего процесса, не ухудшающих рабочих характеристик и экономичности потребления топлива. Именно в это время возник и начал расти интерес к двигате­лям Стирлинга, особенно со стороны изготовителей автомобиль­ных двигателей в США. Требования к топливной экономичности тогда еще не имели определяющего значения, и в целом было принято считать, что на современных двигателях допустимо снижение токсичности выбросов за счет некоторого ухудшения топливной экономичности. Двигатель Стирлинга открывал воз­можность выполнения требований стандартов, ограничивающих предельное содержание вредных веществ в выбросах, при со­хранении желаемого уровня топливной экономичности. В 70-е годы в связи с энергетическим кризисом требования к топлив­ной экономичности стали основными. Ситуация особенно обо­стрилась в период нефтяного эмбарго 1973—1974 гг. В настоя­щее время наблюдается тенденция к разработке двигателя с уменьшенным выбросом вредных веществ в атмосферу при од­новременном повышении топливной экономичности. При этом учитывается, что через некоторое время, возможно, потребуется переоборудование этих двигателей для работы на альтернатив­ных топливах вместо ископаемых жидких топлив.

В свете трудностей, связанных с топливами, получаемыми из сырой нефти, четче выявились энергетические проблемы на­стоящего времени. Причины сегодняшних проблем возникли за­долго до 1974 г., поскольку создание Уаттом паровой машины не только возвестило начало промышленной революции, но и заставило человека отвернуться от неограниченного, но нена­дежного и слабого энергетического источника — солнечной энер­гии, на которую он до этого времени полагался, и начать экс­плуатировать более концентрированные и стабильные источни­ки энергии, зачастую весьма неэффективно и беспорядочно. Вследствие такой бесконтрольной эксплуатации источников энергии мир в настоящее время переживает «энергетический кризис», причинами которого являются как увеличение цены энергии, так и истощение ее источников. Количество материа­лов, богатых энергией, которые может получить потребитель (угля, нефти, газа и т. п.) в настоящее время, зависит от цены, которую он может заплатить. Однако доступность энергии не определяется полностью рыночными факторами, так как неко­торые виды топлива служат средствами политического давле­ния, а ресурсы получения топлива ограниченны. Следовательно, •страны, обладающие ограниченными собственными источниками энергии или со столь высоким уровнем потребления энергии, что самообеспечение их энергией становится затруднительным, сталкиваются с серьезными экономическими трудностями, свя­занными с высокими темпами инфляции и спадом производства, вызванными быстрым ростом стоимости энергии. Эта ситуация может стать еще более острой в ближайшем будущем, если учесть, что, как утверждают, к 2000 г. население земного шара удвоится, а стоимость энергии возрастет по меньшей мере в той же пропорции.

По мере роста стоимости энергии возрастали и усилия, на­правленные на поиск новых источников энергии и возобновле­ние эксплуатации уже известных источников, которые ранее считались нерентабельными, на повышение КПД существующих преобразователей энергии и на разработку новых или альтер­нативных систем преобразования энергии. С преобразованием энергии связано и образование вредных выбросов, и, хотя это неизбежное следствие физических законов, человечество стало испытывать неудобства от возрастающего загрязнения атмосфе­ры. Требование снижения этого загрязнения до приемлемого уровня было подкреплено во многих странах соответствующими законодательными мерами. К сожалению, методы, используемые для уменьшения выбросов, как правило, не повышают КПД преобразования энергии, часто увеличивают массу и сложность систем преобразования энергии и всегда повышают стоимость их изготовления. Проблема усложняется еще больше во многих кон­кретных приложениях, особенно в судоходстве, где в будущем предполагается использовать тяжолые углеводородные топлива, которые на существующих силовых установках вызовут еще бо­лее значительное выделение вредных выбросов в атмосферу.

В промышленном производстве многие процессы, например изготовление стекла, связаны с поглощением значительного ко­личества энергии. Достаточно тревожна ситуация и в области производства энергии. Общество не может больше позволить себе быть столь нерасчетливым, и наше потребление энергии должно быть решительно изменено в сторону большей экономии.. Правда, это легче сказать, чем сделать, так как сточные воды промышленных предприятий, хотя и содержат энергию, но, как правило, при столь низкой температуре, что обычные устройства для получения механической энергии не могут ее использовать без повторного сжигания топлива.

Солнечная энергия, переставшая привлекать внимание после изобретения Уатта, сейчас вновь вызывает интерес. Разраба­тывается новая технология производства солнечных элементов, однако эти элементы еще не вырабатывают энергии в таких масштабах, чтобы найти в настоящее время широкое практиче­ское применение. Поскольку двигатель Стирлинга может ис­пользовать любой источник тепловой энергии, то, фокусируя солнечные лучи на головке цилиндра, можно получить устрой­ство, преобразующее солнечную энергию в механическую. Пря­мое преобразование солнечной энергии в энергию на валу без устройств промежуточного преобразования энергии уменьшает как стоимость, так и сложность установки в целом.

С расширением масштабов использования богатств океанов росла и необходимость в постоянных источниках электроэнер­гии для электрических систем стационарных установок, работа­ющих как на поверхности воды, так и под водой. Для выработ­ки мощности порядка сотен киловатт наиболее совершенным агрегатом в настоящее время является авиационная газовая турбина, но для таких областей применения, как радиобуи, ре­трансляторы связи, навигационные средства и гидрофоны, дви­гатели Стирлинга благодаря их автономности и способности ра­ботать на различных топливах подходят значительно лучше, чем обычные аккумуляторные батареи. Например, батарея ем­костью 25 Вт-год имела бы массу, превышающую 1000 кг. Простые по конструкции солнечные двигатели Стирлинга и дви­гатели Стирлинга, использующие отработавшее тепло различных производственных процессов, весьма перспективны и заслужива­ют должного внимания. Применение этих двигателей вряд ли окажет существенное влияние на топливный баланс в мировом масштабе, однако в некоторых областях земного шара эффект будет достаточно ощутимым. Основной вклад двигателей Стир­линга в решение проблемы экономии энергии и повышения КПД ее преобразования может выразиться в использовании при­родных топлив, не требующих дорогих и сложных устройств по их очистке и перегонке. Правительства многих государств от­дают себе отчет в том, что в будущем внутреннему наземному транспорту, прежде всего автомобильному, а также торговому флоту в числе первых придется столкнуться с резким снижени­ем поставок высококачественного топлива. В некоторых странах все поставки жидкого топлива будут со временем прекращены и доступным для этих видов транспорта будет только твердое топливо. В таких условиях двигатели Стирлинга, работающие по замкнутому циклу, становятся особенно привлекательными

Таблица 1.25. Перспективы использования двигателей Стирлинга

Свойства двигателя Стирлинга, Возможные тенденции и требования отвечающие этим тенденциям

Н требованиям

Увеличение стоимости природного топлива

Истощение источников обычного топлива

Использование альтернативных топлив и источников энергии

Уменьшение вредных выбросов в атмосферу

Использование отработавшего тепла производственных процессов

Высокий КПД

Низкий расход топлива

Низкий расход смазочного масла

Способность работать на различных

Топливах То же

Низкий уровень шума Использование источников энергии,

Отличных от ископаемого топлива Полное сгорание ископаемых топлив

(в случае их применения) Способность работать при низких температурах рабочего цикла

Из-за присущей им независимости от источника получаемого тепла. Эти преимущества двигателей Стирлинга как с точки зрения ситуации, имеющей место в мире в настоящее время, так и с учетом будущих требований перечислены в табл. 1.25.

Будущее всегда неопределенно, и, хотя это и маловероятно, возможно, к концу десятилетия станут доступными богатые ис­точники дешевого природного топлива, а требования стандартов на предельное содержание вредных веществ в выбросах будут снижены. При такой ситуации, несомненно, интерес к двигате­лям Стирлинга уменьшится.