Машины, работающие по циклу Стерлинга

Стирлинг

Уокер Г.

В условиях роста населения Земли и бурного развития энерге­тики [1] как основы технического прогресса, связанного с интенсив­ной разработкой, эксплуатацией и истощением природных энерге­тических ресурсов и, как следствие этого, с ощутимым изменением и загрязнением биосферы Земли, отражающимся в конечном итоге на здоровье людей, перед наукой возникает неотложная проблема: найти другие пути получения энергии, избавить современную энер­гетику от потребления органического топлива с целью уменьшения отрицательного воздействия на окружающую среду.

Новое отношение к использованию природных ресурсов и к со­стоянию окружающей среды является в настоящее время важной экономической необходимостью, вытекающей из ограниченности за­пасов минерального топлива в недрах Земли и ограниченной вос­производимой мощности земной атмосферы. Например, добыча нефти началась немногим более ста лет назад (1857 г.; в промыш­ленных масштабах — с 1880 г.), и прошло всего около ста лет после промышленного получения электроэнергии и изобретения двигателя внутреннего сгорания и менее пятидесяти лет с начала промышленного использования газовых турбин (конец 30-х годов текущего столетия), а энергетический кризис 1973 г. в западных странах дал реально почувствовать, что запасы ископаемого топлива, и прежде всего жидкого, не безграничны.

В обозримом будущем СССР не угрожает энергетический кризис, который уже сегодня ощутим для ряда стран. Тем не менее исполь­зование в будущем новых технических средств по сравнению с суще­ствующими, потребляющими в основном ископаемое топливо, бу­дет несомненно способствовать существенной его экономии и сохра­нению окружающей среды.

Известно, что получение и преобразование энергии неизбежно сопровождается теми или иными загрязнениями среды, причины возникновения которых в настоящее время рассматриваются в са­мом широком аспекте. Главные источники загрязнения биосферы Земли — промышленные предприятия, электростанции и транспорт­ные системы, а одна из основных причин загрязнения — процессы сжигания каменного угля, нефти и нефтепродуктов и других видов топлива Наряду с загрязнением воздуха, воды и почвы ухуд­шение состояния окружающей среды связано также и с чрезмерным увеличением уровня шума, вибрации, рассеивания теплоты. В со­ответствии с последними оценками ежегодно в атмосферу выбрасы­вается от 960 до 2600 млн. т твердых частиц и частиц, образую­щихся при выхлопе газов. Экологические изменения, происшедшие на планете в основном за последние 50 лет, становятся все ощути­мее, и природе все труднее нейтрализовать и сохранять в своих недрах отходы промышленного производству Цивилизация об­щества имеет тенденцию к увеличению потребления энергии во всех ее видах с удвоением приблизительно через каждые 10 лет, в связи с этим будет возрастать и загрязнение окружающей среды.

Современная энергетика решает не только чисто энергетические проблемы, она охватывает все многообразие методов получения и практического применения различных видов энергии для промыш­ленных и бытовых нужд. С этих позиций важно отметить, что такие маломощные преобразователи энергии, как двигатели внутреннего сгорания (использующиеся в передвижных и стационарных энер­гоустановках, в транспортных системах и т. п.), являются в настоя­щее время самыми распространенными потребителями энергии, а, следовательно, и одними из главных источников загрязнения ок­ружающей среды. Двигатель средней мощности: за год работы (на автомобиле) выделяет с выхлопными газами около 1 т токсичных веществ в различных соединениях: окись углерода, окислы азота, несгоревшие углеводороды, альдегиды, свинец и его соединения и др. В США на долю этих двигателей приходится до 20% всей потребляемой страной энергии (нефти и нефтепродуктов) и 60% всего количества веществ, загрязняющих атмосферу. Подобное по­ложение наблюдается и в других промышленно развитых странах[2].

В качестве мер борьбы с загрязнениями различного рода, выз­ванными современными двигателями, многими странами разрабо­таны новые, более жесткие требования к составу выхлопных газов и уровню шума. Однако затраты на усовершенствование процессов сгорания (послойное образование рабочей смеси и т. п.), очистку и нейтрализацию токсичных составляющих выхлопных газов, на снижение шума до уровня настоящих и будущих требований зна­чительны, а реализация практического контроля многочисленного городского транспорта — дело чрезвычайно сложное и практически малореальное.

Наиболее показательными примерами последствий влияния за­грязнений атмосферного воздуха на организм человека служат описанные в научной литературе случаи отравления людей в до­лине реки Маас (Бельгия) в 1930 г., в Доноре (штат Пенсильвания, США) в 1948 г. и в Лондоне в декабре 1952 г. С загрязнением ат­мосферного воздуха ряд ученых связывают и рост частоты возникно­вения злокачественных новообразований в легких.

В СССР решение проблемы охраны окружающей среды всегда носило общегосударственный плановый характер. Уже первые дек­реты советской власти заложили основы рационального исполь­зования природных ресурсов страны. С целью усиления охраны внешней среды 29 декабря 1972 г. было принято важное Поста­новление ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об усилении ох­раны природы и улучшении использования природных ресурсов». В «Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976—1980 годы» говорится: «Усилить работы по созданию транспортных и других средств, обеспечивающих уменьшение за­грязнения воздушного бассейна выхлопными газами». Государствен­ный подход СССР к охране окружающей среды закреплен 18 статьей новой Конституции СССР, принятой 7 октября 1977 г.

Объективный характер требований, диктуемых настоящим и бу­дущим, заставляет заблаговременно изыскивать новые энергоре­сурсы и разрабатывать не только более эффективные, но и доста­точно «чистые» способы преобразования энергии большой и малой мощности. Эти вопросы очень сложны и должны рассматриваться комплексно. В области большой энергетики — это прежде всего управляемый термоядерный синтез, МГД генераторы, солнечная энергетика, гидроэнергетика и др. В области малой энергетики — замена нефти и ее производных другими топливами (например, во­дородом [3]), применение в транспортных системах электрических и тепловых аккумуляторов, рассмотрение возможностей исполь­зования других механических преобразователей энергии (например, двигателей с внешним подводом теплоты — паровых, двигателей Стирлинга и др.), дальнейшее развитие топливных элементов, со­вершенствование термоэлектрических, термоэмиссионных и иных способбв преобразования энергии.

Вышеперечисленные перспективные направления развития малой энергетики имеют свои достоинства и недостатки. Так, использова­ние водорода в качестве источника энергии связано с проблемой бо­лее дешевого способа его получения из воды (в настоящее время водород добывается из природного газа); разработка электрических аккумуляторов (свинцовых, никель-железных, никель-кадмиевых, цинк-воздушных, горячих натриево-серных и др.) — с проблемами создания достаточно емких, надежных, легких, дешевых и относи­тельно быстро подзаряжающихся аккумуляторов. Кроме того, пере­вод большого парка автомобилей на электротягу связан с огра­ниченными запасами металлов (в частности, свинца) и дополни­тельной выработкой электроэнергии. Что касается топливных элементов, то они в настоящее время слишком дороги. Техниче­ские характеристики парового двигателя не уступают характе­ристикам обычного бензинового двигателя; кроме того, в нем может быть обеспечено более полное сгорание топлива. Однако для парового двигателя предстоит решить проблемы смазки цилиндров, работы двигателя при сильном морозе или сильной жаре. Вероятно, это будет так же трудно, как найти удовлетво­рительный источник энергии для электррмобиля.

В предлагаемой читателю книге проф. Грэхема Уокера «Машины, работающие по циклу Стерлинга» рассматриваются вопросы пер­спективного развития и применения машин Стерлинга. Эти машины отличаются универсальностью и конструктивным разнообразием и могут работать как двигатели, холодильные машины, тепловые на­сосы и генераторы давления во многих областях техники. Как двигатели они имеют ряд существенных преимуществ: высокая эф­фективность и экономичность, возможность работы от разнообраз­ных низко - и высокопотенциальных источников энергии (углеводо­родные топлива — твердые, жидкие, газообразные; ядерная и сол­нечная энергия; теплота реакции окисления металлов, теплота гео­термального пара и термальной воды и т. д.). В двигателях могут быть использованы различные рабочие тела (воздух, водород, гелий, С02, химически реагирующие газы и др.). Они могут работать по замкнутому и открытому термодинамическим циклам и отличаются малым уровнем шума, а при использовании углеводородных то - плив — низким содержанием токсичных составляющих выхлопных газов. Специфическим свойством двигателей Стерлинга является их способность к длительной автономной работе в энергосистемах при отсутствии атмосферного воздуха (в космических или подвод­ных условиях).

Стремление реализовать потенциальные возможности этих дви­гателей вызвало проведение интенсивных научно-исследователь­ских, конструкторских и экспериментальных работ в ряде зару­бежных фирм: Филипс, Дженерал Моторс, Юнайтед Стерлинг, Форд, Волво и др. В результате были созданы и исследованы дви­гатели широкого диапазона мощностей (от нескольких ватт до 3500 кВт) различного назначения (для применения в различных энерго­системах, для транспорта, для работы в космосе, в подводных усло­виях; для военных и бытовых целей и т. п.). Целевые испытания под­твердили положительные качества двигателей, их конкурентоспо­собность с традиционными двигателями и другими преобразовате­лями энергии. Было отмечено, что применение двигателей Стер­линга целесообразно в тех случаях, когда существующие системы по отдельным показателям не вполне удовлетворяют предъявляе­мым требованиям (например, в шахтах, карьерах, в городском транспорте и т. п.) или вообще неприменимы.

Способность двигателей Стирлинга утилизировать отбросную теплоту промышленных предприятий и других объектов делает его применение чрезвычайно выгодным с точки зрения экономии при­родного топлива и расширения топливного баланса. Для СССР с его огромной территорией и различными климатическими и ре­сурсными зонами применение двигателей Стирлинга может позво­лить использовать (особенно в отдаленных районах) местные виды топлива без предварительной их переработки. К числу недостатков разработанных двигателей (в основном типа автомобильных) отно­сятся их несколько большие массо-габаритные параметры и более высокая стоимость. С целью их устранения в настоящее время ведутся работы по решению широкого круга вопросов: от совер­шенствования теории и методики расчетов по оптимизации необ­ходимых параметров до совершенствования технологии произ­водства. Отдельные типы двигателей Стирлинга изготавливаются рядом зарубежных фирм.

Несмотря на ряд существенных преимуществ двигателей Стир­линга, они пока еще не получили заметного массового распростра­нения. Это обусловлено рядом обстоятельств как технико-экономи­ческого (проблемы конструкционных материалов, регенератора, сни­жение затрат на производстве и т. п.), так и коммерческого харак­тера (существование традиционных двигателей, сохранение коммер­ческой тайны). Однако, независимо от этого, ожидается, что их массовое серийное производство (для транспортных систем) в не­которых странах начнется в 1981 г. и к 1985 г. составит 10% всего количества выпускаемых двигателей.

На основе конструкций двигателей Стирлинга были разрабо­таны и эффективные холодильные и криогенные машины (ожижи­тели и криорефрижераторы) различной холодопроизводительности с широким диапазоном рабочих температур. Они уже нашли широ­кое применение во многих областях науки, техники и на произ­водстве в установках для ожижения и реконденсации различных газов, для очистки инертных газов от примесей, в лабораторных (ядерных и низкотемпературных) экспериментах, для хранения ве­ществ и материалов при низких температурах. Разработанные кон­струкции ряда машин характеризуются надежностью, термодина­мической эффективностью, относительно малыми массой и габари­тами, удобством регулирования и возможностью автоматизации.

Книга Г. Уокера предназначена для широкого круга читателей и преследует цель познакомить читателя с вопросами работы и применения машин с циклом Стирлинга. Автор не дает полного описания тех или иных машин и процессов, происходящих в от­дельных аппаратах, в сложной математической форме, а стремится изложить научные, технические, экономические и другие прин­ципы, на которых базируются разработки машин Стирлинга, а также отметить те трудности, которые возникают при их создании. В связи с этим может показаться, что изложению элементарных основ фи­зики, термодинамики, теплопередачи, гидравлики или механики уделяется слишком много места, тогда как данные о конкретных особенностях самих машин приведены в весьма сжатой форме. Между тем следует иметь в виду, что принцип действия машин Стирлинга позволяет создавать множество их модификаций, ба­зирующихся на общих фундаментальных законах с использованием достижений многих областей современной науки и техники. Клас­сификация всего многообразия маШин Стирлинга излагается авто­ром в гл. 6. Такое изложение, позволяющее оценить (или найти пути к оценке) возможности и трудности, возникающие при пре­образовании энергии с помощью машин Стирлинга, с учетом не­сколько популярного характера книги представляется на первом этапе знакомства с проблемой весьма целесообразным, а для рас­ширения круга читателей — просто необходимым. В целом имею­щийся в книге материал не ограничивается изложением только элементарных понятий, а является следствием длительных и глубо­ких исследований и содержит ценные справочные сведения, которые можно найти в обширном списке литературы, приведенном авто­ром в конце книги. Она выгодно отличается от других подобных изданий своим наиболее полным представлением всего многообра­зия с^ем, возможностей и областей применения машин Стирлинга.

Автор книги Г. Уокер — широко известный за рубежом спе­циалист по машинам Стирлинга, профессор инженерно-механиче­ского факультета университета Калгари в Канаде, консультант ряда министерств и промышленных фирм Англии, США, Канады.

. Предлагая вниманию читателей настоящую книгу, хочется на­деяться, что вопросы, связанные с исследованием и применением машин Стирлинга, заинтересуют читателя.

Ь Сутугин