КПД установки
Потенциальный КПД двигателя Стирлинга выше, чем у других сравниваемых с ним двигателей, однако на совершенствование двигателей с разомкнутым циклом было затрачено значительно больше усилий. Результаты сравнения различных двигателей по их КПД не имеют большого распространения, поскольку, как уже отмечалось ранее, изготовители автомобилей и те, кто эксплуатируют стационарные установки, как правило, предпочитают сравнивать двигатели по удельному эффективному расходу топлива. Хотя этот параметр прямо связан с КПД,
Рис. 1.110. Потенциальные КПД энергосиловых установок [27]. • юг ю3 10* 10s Температура источника тепла, К |
I — предельные КПД двигателя Стирлинга; 2—предел прочности Материала; 3 — предельные КПД двигателя с принудительным зажиганием; 4— потенциально достижимые КПД Двигателя Стирлинга; 5 — двигатели внутреннего сгорания; 6 — паровая Машина; 7— двигатель Стирлинга.
Тем не менее полезно рассмотреть и результаты измерения непосредственно КПД. Прекрасной иллюстрацией достигнутых в настоящее время рабочих характеристик двигателей и потенциальных значений их КПД является график, составленный в работе [32] и представленный на рис. 1.110 в несколько измененном виде.
Достигнутые к настоящему значения КПД экспериментальных двигателей Стирлинга показаны на рис. 1.111.
▼ ! ■ 2 • 3
20
50
КПД ЦИКЛЭ Карно, %
Рис. 1.111. Реальные КПД экспериментальных двигателей Стирлинга по данным НАСА, Rpt CR-I59 63I, перестроенным авторами.
1 — данные фирмы «Дженерал моторе»; 2 — данные фирмы «Юнайтед Стирлинг» (Швеция); 3 — данные фирм «Форд» и «Филипс».
Б. Удельный эффективный расход топлива
Прежде чем сравнивать конкретные двигатели по удельному эффективному расходу топлива, желательно было бы собрать и обобщить больше информации о различии в рабочих характеристиках сравниваемых двигателей, используя совокупность результатов по целому ряду типичных двигателей каждого типа. Необходимо заметить, что большое количество результатов, относящихся к двигателям Стирлинга, получено на динамометрических стендах, а не при испытаниях автомобилей, а некоторые данные получены на основе расчета на ЭВМ моделей, обладающих достаточной степенью достоверности. Результаты испытаний автомобилей вплоть до 1980 г. не совпадали с достаточной степенью точности с расчетными данными, однако намечали пути реализации потенциальных возможностей двигателя. Удельные эффективные расходы топлива различных энергосиловых установок, предназначенных для использования в качестве автомобильных источников энергии, сравниваются на рис. 1.112 [53].
На этом графике наглядно видны преимущества двигателя Стирлинга во всем диапазоне рабочих режимов. Поскольку удельный эффективный расход топлива рассматривается и как функция скорости, и как функция нагрузки, то на рис. 1.113 и 1.114 приведены соответствующие кривые для полного диапазона рабочих скоростей при 50 и 20 % полной нагрузки соответственно.
Преимущества двигателя Стирлинга весьма наглядны и в этом случае. Исходные данные для этих обобщающих графиков
* |
9 Зак. 839
<и гэ
ZTi
0,1 0,5 1,0
Мощность / Максимальная мощность
Рис. 1.112. Сравнение удельных эффективных расходов топлива различных эпергосиловых установок [53].
1—дизель с нормальной системой впуска; 2 — дизель с турбонаддувом; 3—бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным аарядом; 4—одновальная газовая турбина; 5—двухвальнан газовая турбина; 6 — двигатель Стирлинга.
ОС
X * ^ с
S С. jT И
С - х
V - —
J___ L |
1.Q |
■е-ь в -0.2
II
J____ I___ I___ L
0,5
Спорость/Максимальная скорость
Рис. 1.113. Сравнение удельных эффективных расходов топлива различных энергосиловых установок при 50 % нагрузки [53].
1—одновальная газовая турбина; 2—двухвальная газовая турбина; 3 — дизель с турбонаддувом; 4—бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом; 5—двигатель Стирлинга.
Были взяты из работы [53]. Поскольку цены на топливо продолжают повышаться, удельный эффективный расход становится все более определяющей характеристикой, и, хотя не прекращаются активный поиск и исследования по другим источникам энергии, нет сомнения, что в обозримом будущем углеводородные топлива останутся основным ее источником. Более того,
Скорость/Максимальная скорость Рис. 1.114. Сравнение удельных эффективных расходов топлива различных энергосиловых установок при 20 % нагрузки [53]. I — дизель с турбоиаддувом; 2— бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом; 3 — одновальная газовая турбина; 4—двухвальная газовая турбина; 5—двигатель Стирлинга. |
Даже в условиях астрономического роста цен снижение потребления топлива будет незначительным. Опыт стран Запада показывает, что с начала нефтяного кризиса в 70-х годах цены на нефть оказывали незначительное влияние на потребление топлива. Исследование, опубликованное в 1980 г. министерством энергетики США, показало, что при повышении цен на топливо даже на 100 % потребление топлива уменьшится только на
II %. Если на потребление топлива не слишком сильно влияют экономические факторы, то маловероятно, что оно понизится, уступая политическому давлению. Влияние официальных регламентации, направленных на экономию топлива, также проблематично.
Очевидно, что снижение удельного эффективного расхода топлива может способствовать уменьшению потребления топлива, поскольку уменьшение расхода топлива на 10 % позволило бы сэкономить, например, для США свыше 305 млн. л импортируемой сырой нефти в сутки, что соответствует экономии свыше 5 млрд. долл. в год. Однако в целом это очень небольшая экономия. Поэтому, хотя снижение удельного эффективного расхода топлива является важным, оно не дает решения проблемы энергии для большинства стран. Источники энергии, заменяющие жидкие углеводороды, могут дать более ощутимый эффект в обозримом будущем, и проблемы, связанные с этим вопросом, будут рассмотрены позже. Кроме того, необходимо отметить, что доступность энергии имеет такое же существенное значение, как и ее стоимость.
В. Развиваемая мощность
Обоснованное сравнение по этому показателю может быть сделано только на основе отношения массы к развиваемой мощности, и сравниваемые двигатели должны быть предназначены для одной и той же области применения. Далее необходимо сравнивать значения отношения массы всей энергосиловой установки к развиваемой мощности. Энергосиловая установка, предназначенная для использования на автомобиле, будет включать агрегаты трансмиссии, аккумуляторные батареи, систему охлаждения и т. д. Для двигателей, отобранных для сравнения, эти данные представлены на рис. 1.115 и 1.116.
В обоих случаях, как видно из графиков, двигатель Стирлинга не обладает явными преимуществами, однако необходимо учитывать, что при разработке двигателей Стирлинга до сих пор не уделялось большого внимания оптимизации отношения мощности к массе, что и отразилось на представленных результатах. Нельзя рассчитывать на то, что для такой оптимизации имеются большие возможности, с другой стороны, было бы неверно утверждать, что достигнутые результаты — предел. При выполнении программы разработки двигателей в США, по которой к 1984 г. было намечено достичь стадии начала производства, предпринимаются большие усилия по снижению массы двигателя. При этом следует учитывать, что, как показано в табл. 1.7, в силу присущих им рабочих характеристик двигатели Стирлинга (как и одновальные газовые турбины) не должны иметь те же значения развиваемой мощности, что и другие двигатели, и поэтому могут иметь меньшую массу, чем существующие автомобильные двигатели.
Еще один фактор, который необходимо принять во внимание,— это размеры двигателя данной мощности. Этот фактор важен не только с точки зрения компактности, но, например, при установке на судне с точки зрения потери полезного объема трюмов. Установлено, что двигатель Стирлинга занимает
Рис. 1.115. Соотношение между массой двигателя и развиваемой им мощностью для энергосиловых установок различных типов [53].
1— дизель с нормальной системой впуска;
2— двигатель Стирлинга; 3—дизель с турбо - наддувом; 4 — бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и слоистым зарядом; 5 — бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом; 6 — двухвальная газовая турбина; 7— одновальная газовая турбина.
3D БО 90 120
Мощность йоигатеэтя, кВт
400
300
S
X
О с £ со Е
Г 200
100
60 90
30 |
120 |
Мощность двигателя, кВт
Рис. 1.116. Соотношение между массой установки и развиваемой ею мощностью для энергосиловых установок различных типов [53].
1 — дизель с нормальной системой впуска; 2 — двигатель Стирлинга; 3 — дизель с турбо - наддувом; 4 —бензиновый двигатель с принудительным зажиганнем и слоистым зарядом; Г» —бензиновый двигатель с принудительным зажиганнем н гомогенным зарядом; 6—роторный двигатель с принудительным зажиганнем; 7—двухвальная газовая турбина; 8 — одно - иальная газовая турбина.
Примерно такое же пространство, что и эквивалентный дизель [56, 57]. Более свежие данные [53] позволяют составить сводную таблицу значений отношения мощности к занимаемому объему для разных двигателей мощностью 78—126 кВт (табл. 1.8).
Таблица 1.8. Отношение мощности двигателя Р к объему V, Занимаемому энергосиловой установкой
|
Из таблицы следует, что двигатели с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом все еще превосходят по этому показателю все другие двигатели, однако перспективные двигатели со слоистым зарядом не будут иметь такого неоспоримого преимущества, как двигатели с гомогенным зарядом. Если в двигателях Стирлинга и газовых турбинах найдут применение керамические компоненты, то ситуация может резко измениться. При современном уровне технического прогресса двигатель Стирлинга в целом превосходит дизельные двигатели.
Изменения крутящего момента двигателя Стирлинга в зависимости от скорости и давления уже рассматривались ранее в сравнении с другими энергосиловыми установками. При использовании этого двигателя на автомобиле особенности его характеристик крутящий момент — скорость особенно благоприятны с точки зрения эффективного ускорения автомобиля и способствуют упрощению и удешевлению агрегатов трансмиссии. Однако для полноты картины необходимо сказать несколько слов о циклических колебаниях крутящего момента. В литературе сообщается, что двигатель Стирлинга отличается более плавными изменениями крутящего момента по сравнению с другими двигателями возвратно-поступательного действия. «Плавный» означает, по-видимому, что изменения крутящего момента с изменением угла поворота кривошипа этого двигателя сравнительно малы. Мы намеренно употребили слово «по-видимому», посколь
ку, когда спрашивают, что в точности означает термин «плавный», мы не в состоянии дать однозначного определения. Этот вопрос подробно рассматривается в гл. 2. Здесь достаточно будет отметить, что изменения крутящего момента в зависимости от угла поворота кривошипа у многоцилиндрового двигателя Стирлинга меньше, чем, например, у двигателя с принудительным зажиганием (рис. 1.117).
Меньшие колебания крутящего момента означают также, что колебания угловой скорости у двигателя Стирлинга также существенно меньше, чем у других двигателей. Это утверждение относится, разумеется, к двигателям без маховиков. Практически это означает, что двигатели Стирлинга можно комплектовать менее массивным маховиком и что пуск двигателя Стирлинга требует меньших механических усилий. Далее, благодаря малым циклическим колебаниям момента и скорости вращения двигатели Стирлинга могут оказаться более подходящими для автономных электрогенераторов.
Эти утверждения, однако, нуждаются в проверке, поскольку, хотя отношение пикового крутящего момента е< его среднему значению у четырехцилиндрового двигателя Стирлинга без маховика близко к 1,1, для одноцилиндрового двигателя Стирлинга это значение увеличивается до 3,5, что выглядит не так уж многообещающе. Тем не менее у четырехцилиндрового двигателя Стирлинга это отношение такое же, как у восьмицилиндрового двухтактного дизеля, и наполовину меньше, чем у четырехцилиндрового четырехтактного дизеля.
Угол поворота кривошипа, грай. Рнс. 1.117. Крутящий момент в зависимости от угла поворота кривошипа [53]. 1 — двигатель с принудительным зажиганием; 2— двигатель Стирлинга. |
Оценка стоимости всегда затруднительна, а ее прогноз с учетом будущих разработок весьма неточен. Однако несомненно, что такая оценка необходима для сравнения альтернативных двигателей, если при этом учитывать наиболее дорогостоящие компоненты. Стоимость двигателя Стирлинга приблизительно в 1,5—15 раз выше, чем эквивалентного дизеля. Такая оценка сделана на основе технической литературы; она приводилась на технических конференциях и совещаниях. На первый взгляд эта оценка кажется необоснованной, но, скорее всего.
Она верна, и это станет ясно из дальнейшего изложения. Бездоказательные утверждения о предполагаемой стоимости, как правило, не имеют смысла, но, к сожалению, такие утверждения делаются во многих публикациях. Однако в настоящее время благодаря программам, выполняемым по заказу министерства энергетики США, стали доступными результаты более подробных исследований в этой области.
Стоимость может определяться различными факторами, из которых основными являются:
1) затраты труда;
2) материалы;
3) капитальное оборудование;
4) производственное оборудование;
5) эксплуатация и техническое обслуживание;
6) разработка конструкции.
Этот список ни в коей мере не является исчерпывающим. Многие составляющие стоимости непосредственно зависят от массовости производства. Хотя это и очевидно, не мешает еще раз повторить это утверждение, поскольку подобным аспектом оценки стоимости пренебрегают во многих публикациях. Зависимость экономики от масштабов выпуска продукции может означать, что двигатель одного типа дороже другого при мелкосерийном выпуске, но дешевле при увеличении объема продукции. Необходимо принимать во внимание и область применения двигателя. Например, стоимость автомобильного двигателя составляет только небольшую часть общей стоимости автомобиля, поэтому при сравнении стоимости различных двигателей необходимо учитывать, что существенное различие в стоимости двигателей может и не повлиять заметно на стоимость автомобиля при установке этих двигателей. Эту особенность можно проиллюстрировать простым расчетом. Если принять для примера, что стоимость двигателя составляет 10 % общей стоимости автомобиля, то при стоимости автомобиля 6000 долл. двигатель будет стоить 600 долл. Предположим, что другой двигатель вдвое дороже, т. е. стоит 1200 долл.; тогда полная стоимость автомобиля будет 6600 долл., т. е. только на 10 % выше, и покупатель, возможно, предпочтет уплатить немного большую цену за более подходящий для него автомобиль.
Прежде чем рассматривать стоимость и издержки в условиях промышленного производства, нам хотелось бы на основе собственного опыта рассмотреть эволющию стоимости при создании или покупке опытного образца двигателя Стирлинга или двигателя этого типа, предназначенного для исследовательских целей. Мощность таких двигателей будем считать ограниченной значением 100 кВт. Цена такого двигателя при покупке с учетом уровня цен 1981 г. будет около 6700 долл./кВт. Одна - I о, если двигатель построен той же организацией, которая будет его использовать, или изготовлен сторонней организацией по детально разработанной документации и с помощью машинного проектирования, его стоимость будет заключаться в пределах ;Ю00—3500 долл./кВт. По мере того как двигатель Стирлинга будет становиться более массовым и менее «исследовательским», его стоимость будет резко падать. Один из изготовителей небольших двигателей Стирлинга (менее 1 кВт) считает, что при производстве 1000 таких двигателей в год стоимость одного двигателя по сравнению с его стоимостью при индивидуальном изготовлении может уменьшиться в 30 раз.
Такая зависимость стоимости от масштабов производства подтверждается недавними исследованиями ряда двигателей, работающих на солнечной энергии, выполненными Лабораторией реактивных двигателей (США) [58]. Было проведено сравнение двигателя Стирлинга и газовой турбины в модификациях, рассчитанных на использование солнечной энергии. Газовая турбина была специально сконструирована фирмой «Гарретт», а двигатель Стирлинга был взят из серии, выпускаемой фирмой «Юнайтед Стерлинг». Результаты проведенных исследований, приведенные к уровню цен и обменному курсу валюты 1981 г., приведены в табл. 1.9.
Таблица 1.9. Зависимость стоимости от объема выпуска (сравнение двигателя Стирлинга и газовой турбины)
Суммарная удельная стоимость, долл./кВг
, , Газовая турбина Двигатель Стирлинга Годовой объем _____________________ _____________________ _ Выпуска, Шт. _ Силовая „ Силовая Двигатель установка Двигатель установка
|
Суммарная удельная стоимость включает издержки на оплату рабочей силы, стоимость материалов, затрат^ на капитальное оборудование и инструмент. Влияние, оказываемое на стоимость объемом производства, хорошо видно из представленных данных. Суммарная удельная стоимость газовой турбины с увеличением объема выпуска уменьшается в 3 раза, в то время как тот же показатель двигателя Стирлинга уменьшается более чем в 6 раз. При малом объеме выпуска двигатель Стирлинга более чем на 50 % дороже газовой турбины, а при годовом выпуске 400 000 двигателей — на 30 % дешевле. Для рассматриваемых целей объем выпуска 400 000 двигателей в год представляется несколько завышенным, однако для автомобильных двигателей такой объем можно считать обычной нормой [53].
Потенциальные изготовители двигателей Стирлинга в большей степени заинтересуются предполагаемой стоимостью этих двигателей, предназначенных для использования на автомобилях. Стоимость изготовления, приведенная в табл. 1.10, учиты-
Мощность двигателя 75 кВт Мощность двигателя 112 кВт Таблица 1.10. Стоимость изготовления автомобильных двигателей при объеме выпуска 400 000 шт./год (в ценах 1981 г.)
|
Вает издержки на оплату рабочей силы, стоимость материалов, капитального оборудования и инструмента и во многом аналогична по своей структуре стоимости, подсчитанной для солнечных двигателей. Однако в автомобильном варианте двигатели имеют более развитую конструкцию, чем в варианте солнечного двигателя. Для двигателя Стирлинга и для газовой турбины в отличие от обычных двигателей требуются различные специальные материалы. Разумеется, это в значительной степени вопрос снабжения и конъюнктуры, так что если бы двигатель Стирлинга или газовая турбина были бы «обычными» двигателями, то материалы для них могли бы иметь меньшую стоимость, поскольку горнодобывающая промышленность и сталеплавильная промышленность были бы ориентированы на производство этих материалов, а материалы для производства двигателей с принудительным зажиганием и дизелей стали бы «специальными». Более того, специальные материалы часто требуют соответствующего специального производственного оборудования, что способствует добавочному росту стоимости. С учетом применяемых в настоящее время в автомобильной промышленности материалов и производственного оборудования следует ожидать, что с точки зрения стоимости обычные двигатели будут предпочтительнее. Чтобы прояснить этот аспект формирования стоимости изготовления, в табл. 1.10 приведены стоимости двигателей двух значений мощности (75 и 112 кВт) и указаны также процентные доли общей стоимости, приходящиеся на материал и производственное оборудование.
Потребители двигателей интересуются продажными ценами, а не стоимостью изготовления, что и не удивительно. Поэтому в табл. 1.11 представлены продажные цены автомобильных двигателей при годовом выпуске на уровне 400 ООО шт. Там же указана разница в цене по сравнению с обычным бензиновым двигателем с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом (ГЗБ).
Мощность двигателя 75 кВт Мощность двигателя 112 кВт Таблица 1.11. Продажная цена автомобильных двигателей при объеме выпуска 400 000 шт./год (в ценах 1981 г.)
|
С точки зрения стоимости изготовления и продажной цены двигатели Стирлинга дороже других двигателей, хотя при благоприятных для них объеме выпуска и области применения они могут стать экономически более выгодными, чем их конкуренты. Однако совершенно ясно, что с увеличением мощности двигателей Стирлинга и объема их производства они станут с экономической точки зрения все более конкурентоспособными. Взаимосвязь между составляющими стоимости, рассмотренными в настоящем разделе, показана на рис. 1.118.
Распределение суммарной стоимости двигателя Стирлинга с косой шайбой фирмы «Форд» по элементам конструкции, составляющим энергосиловую установку, приведено в табл. 1.12 для годового объема выпуска 400 000 шт. [53].
Доля общей стоимости, % Таблица 1.12. Составляющие стоимости двигателя Стирлинга
|
Наибольшую относительную стоимость имеют теплообменники, и фирма искала возможности снизить ее приблизительно до 17 % за счет совершенствования конструкции и технологии изготовления [37], пока ее программа совершенствования двигателей Стирлинга не прекратила свое существование.
Рис. 1.118. Взаимосвязь между составляющими стоимости. |
Даже если для двигателя Стирлинга будут применяться менее дорогие материалы и будет достигнут соответствующий объем производства, то и в этом случае вряд ли двигатель Стирлинга будет дешевле, чем, скажем, двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом. Однако, как уже говорилось выше, потребитель, возможно, будет готов пойти на дополнительные расходы ради преимуществ, которые будут связаны с этим двигателем. Если удастся реализовать потенциальные возможности двигателя по экономии топлива и смазочного масла и увеличению установленной долговечности, то снижение стоимости эксплуатации двигателя Стирлинга может повлечь за собой экономию суммарных затрат на приобретение и эксплу-
атацню двигателя, что на потребителя должно произвести большее впечатление, чем соображения охраны окружающей среды и преобразования энергии. Особое внимание на такую экономию должны обратить в Западной Европе, где «экономичные» автомобили с низким расходом топлива становятся все более популярными, хотя первоначальная стоимость таких автомобилей ненамного меньше, чем более роскошных, но менее экономич-
Ных автомобилей. Интересно, что на рынке подержанных автомобилей «экономичный» автомобиль перепродается часто по более высокой цене, чем его «собратья» более высокого класса. Расчет общей рентабельности, которой можно ожидать от двигателя Стирлинга, был выполнен фирмой «Юнайтед Стерлинг» для случая установки двигателя на грузовой автомобиль [59]. Опубликованные данные относятся к уровню цен 1973 г., однако последовавший катастрофический рост инфляции и рост в геометрической прогрессии цен на топливо и смазочные материалы затрудняют перевод полученных результатов к уровню цен 1981 г., в то же время публикация здесь расчетов стоимости на уровне 1973 г. вряд ли целесообразна.
J0?. им/год |
13 5 7 Срок эксплуатации, гой |
Рис. 1.119. Время компенсации первоначальной разницы в стоимости двигателя Стирлинга и дизеля в процессе эксплуатации. (С разрешения фирмы «Юнайтед Стирлинг», Швеция.) (Данные скорректированы авторами.) КЭР — коэффициент экономической рентабельности. |
Коэффициент экономической рентабельности (КЭР) вычислялся по следующей формуле:
(Разность стоимостей____ /Разность первоначальныхЧ
__ Эксплуатации / V___________________ Стоимостей_______ )
КЭР |
(1.10) |
Разность первоначальных стоимостей
При этом разности определяются между соответствующими показателями двигателя Стирлинга и эквивалентного дизеля.
Из результатов, полученных фирмой «Юнайтед Стирлинг» и скорректированных авторами (рис. 1.119), следует, что при эксплуатационном пробеге 16 000 км в год КЭР = 0 после 4,1 года эксплуатации; иными словами, за этот период меньшие затраты на эксплуатацию двигателя Стирлинга по сравнению с дизелем уравновесят его большую первоначальную стоимость, а через 5,7 года КЭР достигнет значения 0,5, т. е. будет получена экономия, равная половине разности первоначальных капитало-
Вложений. При годовом пробеге 100 000 км — среднем для Европы при международных автомобильных перевозках — первоначальные дополнительные капиталовложения окупятся через 2—3 месяца эксплуатации. Эти результаты получены для одиночного автомобиля. Аналогичный расчет, проведенный для автоколонны, дал бы еще более благоприятные результаты. Даже такой краткий обзор вопросов, связанных со стоимостью двигателей Стирлинга, позволяет сделать обоснованный вывод, что этот двигатель, хотя и имеет большую стоимость изготовления, зато потенциально менее дорог в эксплуатации. При дальнейшем повышении стоимости нефтепродуктов и затруднениях в их приобретении преимущества двигателя Стирлинга могут стать еще более ощутимыми.
Хотя двигатель Стирлинга может работать на самых различных источниках энергии, несомненно, что еще и в начале будущего столетия основным источником энергии для наземного транспорта останутся углеводородные топлива. Это не означает, что углеводородные топлива по-прежнему будут получать из существующих источников и что они сохранят современный вид. Этот вопрос предстоит изучить, так как возможны дополнительные экономические выгоды за счет способности двигателя Стирлинга работать на различных видах топлива. Поэтому вслед за обсуждением технологичности двигателя Стирлинга мы рассмотрим возможности использования альтернативных углеводородных топлив.
Хотя этот вопрос рассматривается отдельно от стоимости, на самом деле стоимость изготовления прямо связана с технологичностью. Однако для большей четкости изложения удобнее рассмотреть вопросы, связанные с технологичностью, отдельно. Как видно из табл. 1.10, двигатель Стирлинга имеет большую стоимость, чем другие варианты автомобильных двигателей; составляющие этой стоимости приведены в табл. 1.12. Основная причина такой относительной дороговизны двигателя Стирлинга — использование высоколегированных сплавов для изготовления теплообменников. Конструкция теплообменников предусматривает применение весьма дорогой технологии пайки и дорогостоящих материалов для пайки, при этом длина паяных швов весьма значительна [37]. Допуски на обработанные поверхности деталей двигателя Стирлинга, как правило, более жесткие, что является следствием применения замкнутого рабочего цикла. Для свободнопоршневых двигателей Стирлинга качество механической обработки является, вероятно, наиболее важным требованием для обеспечения нормальной работы двигателя.
Сборка основных механических компонентов двигателя Стирлинга должна производиться с большой тщательностью, особенно сборка уплотняющих устройств. Любая неточность сборки поведет к поломке двигателя. Уплотнение типа «скатывающийся чулок» особенно чувствительно к небрежностям сборки, и при установке такого тонкого и хрупкого уплотнения требуется особая чистота места сборки.
Таблица 1.13. Время, затрачиваемое на изготовление двигателя (распределение по видам работ)
|
На изготовление двигателя Стирлинга затрачивается приблизительно такое же время, как и на изготовление других двигателей, однако квалификация персонала должна быть выше по упомянутым выше причинам. Хотя время, затрачиваемое при сборке, возможно, и такое же, как при сборке других двигателей, распределение этого времени по отдельным операциям будет иным, и, разумеется, это может повлиять на общую стоимость. Соображения, высказанные в этом кратком обсуждении, подтверждаются данными, приведенными в табл. 1.13 и 1.14. Суммарное время, затрачиваемое на изготовление одного двигателя, принято равным 10 ч независимо от типа двигателя.
Из таблиц следует, что, хотя на литье деталей двигателя Стирлинга требуется столько же времени, сколько на литье деталей двигателя с принудительным зажиганием, стоимость литейного оборудования для первого двигателя в два раза выше. Исходя из этого, следует ожидать высоких первоначальных капиталовложений, требуемых для строительства заводов двигателей Стирлинга, и это, вероятно, объясняет сдержанность изготовителей двигателей при решении вопроса о широкой производственной программе: они ожидают момента, когда отпадут все сомнения в том, что этот двигатель сможет реализовать свои потенциальные преимущества. Причины, по которым стоимость 1 кВт, развиваемого опытным двигателем Стирлинга индивидуального изготовления, весьма высока, также вполне понятны.
Ж. Альтернативные источники энергии
Происшедший энергетический кризис касался только одного источника энергии — сырой нефти и жидких углеводородных топлив, получаемых из нее. За последнее десятилетие (1971— 1981 гг.) результатом кризиса были возрастание в геометрической прогрессии цен на топливо, а также трудность сохранения гарантированных поставок топлива. Однако необходимо помнить, что наша планета не располагает неограниченными резервами сырой нефти, хотя пройдет немало лет, прежде чем имеющиеся резервы истощатся настолько, что это окажет заметное глобальное воздействие. Кризис усугубился неравномерным распределением нефти по регионам, так что в настоящее время весьма мало стран, которые сами обеспечивают свои потребности в нефти, и совсем немного стран, которые располагают таким количеством, нефти, что имеют большие ее излишки. Большинство стран вынуждено импортировать часть или даже все необходимое им углеводородное топливо, на что уходит значительная сумма иностранной валюты. К 1980 г. 44,6 % мирового потребления энергии будет удовлетворяться за счет сырой нефти [60], и это число показывает чудовищную трудность проблемы, которую предстоит решить.
Структура потребления энергии различна в разных странах, однако в качестве примера мы взяли структуру потребления в США, поскольку США потребляет больше энергии, чем любая другая страна. Структура потребления на 1977 г. дана в табл. 1.15 [61].
Потребление жидких углеводородов в США аналогично общемировому и составляет 48,8 % общего потребления энергии, что соответствует 795 млн. т/год; 54,5 % этого топлива расходуется на нужды транспорта. США приходится импортировать 50 % требуемого им количества нефти, что составляет около 375 млн. т/год и приводит к затрате многих миллиардов долларов. Естественно, такие затраты побуждают поиск альтерна-
Таблица 1.15. Структура годового потребления энергии в США
|
Тивных топлив. Однако замена жидких углеводородов в качестве источников энергии представляет собой труднейшую задачу и потребует многих лет интенсивных исследований и разработок. Решению задачи может помочь использование солнечной и геотермальной энергии, энергии ветра, однако развитие этих источников в настоящее время показывает, что в целом они не будут иметь большого значения по меньшей мере до начала будущего столетия. Атомные электростанции и гидроэлектростанции будут, как предсказывают, к 1990 г. удовлетворять около 15 % энергопотребления. Это означает, что на долю нефти останется около 40 % мирового потребления энергии. Однако все эти альтернативные источники окажут незначительное влияние (или вообще его не окажут) на расход нефти на транспорте, если только не увеличится перевозка грузов по железным дорогам и не будет осуществлена полная электрификация железных дорог. Даже в этом случае проблема снабжения топливом безрельсового пассажирского и грузового транспорта остается. Очевидно, имеются три возможных варианта:
1) использование иных, чем нефть, ископаемых топливных ресурсов;
2) использование углеводородов с меньшей степенью очистки;
3) использование синтетических жидких углеводородов.
Вариант 1 связан с многочисленными трудностями, среди которых не последнее место занимает обеспечение энергетического эквивалента 795 млн. т нефти, составляющего 4-1018 Дж. Для обеспечения этого эквивалента необходимы нереально быстрые темпы развития индустрии твердого и газообразного ископаемого топлива. В ближайшем будущем возможно увеличение производства этих топлив на существующих предприятиях, и, хотя это поможет решению проблемы, возникнет другая проблема — как использовать эти виды топлива на современных двигателях.
Ю Зак. 839
Для энергосиловых установок с внешним подводом тепла, таких, как двигатели Стирлинга и паровые машины, это не составило бы трудностей. Проблему в основном можно решить и для мощной стационарной газовой турбины. Другие рассматриваемые двигатели не так легко приспособить к альтернативным топливам, что видно из табл. 1.16 [62], где знак X обозначает возможность использования данного топлива, знак ОХ — проблематичную возможность такого использования, а прочерк означает, что топливо не может быть использовано.
Таблица 1.16. Приспособленность двигателей к различным видам топлива
Авиационная
Вид топлива ГЗБ СЗБ газовая Дизель
Турбина
На основе угля
TOC o "1-3" h z Смесь угольной пыли и остат - — — — ОХ
Ков перегонки нефти
Смесь угольной пыли и метанола — — — ОХ
Жидкое топливо на основе угля
Бензин XX — —
Смесь дизельного топлива и — X — X
Топлива для реактивной авиации
Тяжелое топливо (мазут) — — X
Жидкое топливо из сланцев
Бензин XX — X
Смесь дизельного топлива и — X — X топлива для реактивной авиации
Топливо на основе нефтеоргани - — X XX ческих отходов
Метанол XX XX
Водород XX XX
Метан XX XX
Данные табл. 1.16 свидетельствуют, что ситуация не слишком обнадеживающая, и похоже, что времени для улучшения ситуации в случае варианта 1 не так уж много.
Вариант 2 получил определенную поддержку в популярной прессе, однако октановое и цетановое числа таких углеводородов недостаточны для надежной работы существующих двигателей. Даже если эти двигатели удастся приспособить для работы на этих топливах, экономия энергии будет не столь значительна, как это кажется на первый взгляд. Подсчитано, что при использовании менее очищенных углеводородов экономия
Энергии составит не более 3,8 % [53], и, поскольку использование таких топлив отрицательно скажется на удельных расходах топлива и на содержании выбросов в атмосферу, этот вариант также не является решением проблемы.
Таким образом, единственный вариант, который остается,— это производство синтетических жидких углеводородов, т. е. углеводородов, получаемых не из ископаемой нефти, а, например, из угля, горючих сланцев, смолистых песков. К недостаткам этого варианта следует отнести большие затраты энергии на процесс получения синтетических топлив. Например, жидкое топливо, получаемое из угля, особенно предназначенное для двигателя с принудительным зажиганием, теряет в процессе своего производства до 40 % энергии, содержащейся в источнике, из которого оно получено. Однако производство топлива из угля, предназначенное для двигателя Стирлинга, не требует сложной технологии, и на получение такого топлива затрачивалось бы существенно меньше энергии. Из сказанного следует, что для подсчета общего термического КПД установки, работающей на синтетическом топливе, необходимо учитывать также КПД преобразования первоначального вида энергии в ее вид, пригодный для использования в данной установке. Результаты таких расчетов представлены в табл. 1.17 [63].
Таблица 1.17. Термические КПД, характеризующие преобразование энергии заключенной в источнике топлива, в полезную работу на выходе из двигателя
КПД преобразования энергии источника в энергию топлива, % |
Тип Двигателя |
Источник топлива |
Синтетическое топливо
КПД Общий двигателя, КПД,
Бензин
Сырая нефть » Уголь
» Сланцевое мас
Ло
Дизельное топ - Сырая нефть ливо
То же Сланцевое мас
Ло
Продукты пере - Сырая нефть гонки
То же То же
» »
Уголь
90 55 65 92 67 94 94 94 67 70 |
Сланцевое мас-
ГЗБ СЗБ СЗБ
ТНД
Газовая турбина СЗБ
Двигатель Стерлинга
То же
16 18 18 20 22 20 23 25 25 25 |
144 9,9 11,7 18.4 14.7 18.8 21,6 23.5 16,8 17,5 |
» »
По этим результатам вариант 3 представляется более привлекательным, за исключением того, что все перспективные двигатели, для которых получены удовлетворительные результаты,— двигатели с принудительным зажиганием и слоистым зарядом, дизели с турбонаддувом, двигатели Стирлинга и газовые турбины,— требуют значительных капиталовложений для производства в объемах, обеспечивающих их рентабельность. В модифицированном варианте 3 рассмотрена возможность использования горючих смесей, составленных из синтетического топлива и бензина, полученного из нефти. Одна такая смесь испы - тывалась в условиях эксплуатации — это газохол (10% этанола, полученного из гранулированного сырья, и 90 % неэтилированного бензина). Результаты испытаний показали, что эта смесь имеет свойства, почти идентичные свойствам бензина, составляющего ее основу, и обеспечивает почти те же рабочие характеристики двигателя, что и бензин, а несколько меньший энергетический потенциал единицы объема смеси перекрывается ее более высоким октановым числом. Можно также использовать смеси бензина с метанолом [61].
Использование смесей, однако, лишь в незначительной степени снизит остроту проблемы импорта нефти, а именно пропорционально процентному содержанию синтетического топлива в смеси. В то же время капиталовложения, необходимые для строительства заводов по производству сравнительно небольшого количества таких смесей, превысили бы возможности малых стран и даже многих многонациональных компаний. Например, согласно оценкам, для производства 17,2 млн. т/год газохола к 1990 г. (иными словами, всего 2 % общей потребности в жидких углеводородах) понадобилось бы не менее 10 млрд. долл. Этот расчет выполнен для смеси этанола с бензином в отношении 5 : 95, так что общее количество потребляемой нефти уменьшится на величину, составляющую 5 % от 2 %, т. е. на 0,1 %. С учетом современных цен на нефтепродукты такое строительство обойдется в 20 раз дороже, чем закупка соответствующего количества нефти.
Из сказанного следует, что, хотя необходимость заставляет искать альтернативные источники топлива, потребуются колоссальные капиталовложения, чтобы эти источники смогли оказывать хоть какое-то влияние на структуру потребления топлива вплоть до конца первой четверти следующего столетия, в особенности синтетические топлива. Тяжелые нефтяные топлива и уголь смогут оказать некоторое влияние на структуру потребления топлива стационарными силовыми установками как малой, так и большой мощности. Для транспортных силовых установок единственным выходом из положения остается снижение расхода топлива, причем это относится не только к автомобилям, но и к морским судам, где 72 % бортовых силовых установок составляют дизельные двигатели [60]. Сокращение норм потребления топлива, как уже говорилось, только частично разрешает проблему: двигатели с существенно меньшим расходом топлива окажут большее влияние на решение проблемы экономии энергии, особенно если они будут способны работать на различных видах топлива. Двигатель Стирлинга продемонстрировал, что уже на современном этапе своего развития он может обеспечить существенную экономию топлива. Однако с учетом интенсивности проводимых в настояшее время исследовательских и конструкторских разработок эта экономия может быть еще больше. Фирма «Форд» к моменту завершения своей программы работ по двигателям Стирлинга прогнозировала, что с уровнем достоверности 73 % можно ожидать снижения расхода топлива на 38 %, а с уровнем достоверности 52 % —на 81 % [40].