Анаэробные энергетические установки с двигателями Стирлинга — Новые российские технологии для отечественного подводного кораблестроения

История двигателя Стирлинга

Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

P*V=n*R*T

здесь

• P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
• V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
• n – молярное количество газа в двигателе;
• R – постоянная газа;
• T – степень нагрева газа в двигателе К,

Модель двигателя Стирлинга:

За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

Анаэробный двигатель принцип работы и устройство

Рейтинг 2.9/5 (81 голосов)
Линейный двигатель является электрической машиной, принцип работы которой основан на использовании энергии бегущего магнитного поля. Основное преимущество таких двигателей состоит в отсутствии кинематических цепей для преобразования вращательного движения в линейное, что существенно упрощает конструкцию приводимого в движение механизма и повышает его КПД. Существует большое разнообразие линейных двигателей. В настоящее время больший интерес проявляется к асинхронным линейным двигателям как относительно простым по конструкции.

Эти двигатели можно представить как разрезанную по образующей и развернутую в плоскость обычную асинхронную машину вращательного движения. Развернутый в плоскость статор асинхронного двигателя является первичным элементом, а развернутый ротор вторичным элементом линейного двигателя (рис. 1).

Стальной сердечник первичного элемента выполняется шихтованным, а в его пазах укладывается многофазная (обычно трехфазная) обмотка. Вторичный элемент выполняется с короткозамкнутой обмоткой, уложенной в пазы стального сердечника, или представляет собой сплошную токопроводящую пластину. Пластина изготовляется из меди, алюминия или ферромагнитной стали. При включении обмотки первичного элемента в многофазную сеть образуется магнитное поле, которое перемещается вдоль магнитопровода со скоростью

где τ — полюсное деление;

f1 — частота питающего напряжения.

При своем перемещении магнитное поле индуктирует во вторичном элементе машины ЭДС. Эта ЭДС вызывает токи, от взаимодействия которых с магнитным полем образуется механическая сила (тяговое усилие), стремящаяся сдвинуть элементы относительно друг друга.

В линейном двигателе в зависимости от его конструкции и назначения возможно относительное перемещение как первичного, так и вторичного элемента. Как и в обычном асинхронном двигателе, перемещение элемента происходит с некоторым скольжением относительно поля

S = (v1 — v) / v1

где v — скорость движения элемента.

Номинальное скольжение линейного двигателя равно 2-6%.

На работу линейного двигателя оказывают существенное влияние краевые эффекты, возникающие из-за конечных размеров разомкнутых магнитопроводов элементов. Это приводит к ухудшению таких характеристик, как тяговое усилие, коэффициент мощности и КПД.

Линейные двигатели могут быть успешно применены на ленточных и тележечных конвейерах, в приводах эскалаторов и движущихся тротуаров, в металлорежущих и ткацких станках, где рабочие органы совершают возвратно-поступательное движение. Большие перспективы имеет применение линейных двигателей для транспорта. Основным преимуществом линейного двигателя в этом случае является

возможность получения высоких скоростей движения до 400-500 км/ч.

Идеальный двигатель – есть ли такой, в принципе?

Паровые, либо двигатели внутреннего сгорания, — оба типа используют тепловую энергию, благодаря которой газ расширяется, а затем охлаждается. Зависимостью разницы температур определяется эффективность конструкция двигателя. Теория работы идеального двигателя подкреплена наукой о термодинамике и теоретической моделью, демонстрирующей моменты:

• расширения,
• сжатия,
• нагрева,
• охлаждения газа в цикле.

Прежде чем рассматривать конструкцию двигателя Стирлинга, не лишним будет рассмотреть недостатки паровых двигателей. Понятно, что сформированный от нагрева воды пар движется по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где толкает поршень и приводит в движение колесо, связанное с поршнем.

Затем входной клапан закрывается и открывается выходной клапан. Импульс движения колеса заставляет поршень возвращаться в цилиндр и выталкивать охлажденный пар через дымовую (паровую) трубу.

Схема паровой системы: 1 – шток клапана; 2 – боковой клапан; 3 – вход пара высокого давления; 4 – выход пара; 5 – перекрёстная головка; 6 – направляющая крейцкопфа; 7 – поршневой шток; 8 – поршень; 9 — цилиндр

Конструкция парового двигателя далеко не идеальна. Во всяком случае, есть четыре очевидных недостатка.

1. Котёл производит пар высокого давления, поэтому всегда существуют риски взрыва.
2. Котёл конструктивно располагается на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому очевидны потери энергии.
3. Выбрасываемый отработанный пар также способствует потерям энергии.
4. Паровой двигатель потребляет огромное количество воды и топлива.

Конструкция двигателя Стирлинга

Отмеченные выше недостатки, между тем, вполне допустимо устранить. Например, избавиться от котла (устраняя опасность взрыва), а также использовать тепло огня для непосредственного питания двигателя. Тогда, вместо того чтобы использовать пар для перемещения тепловой энергии, можно использовать обычный воздух (или другой газ) для перемещения тепловой энергии.

Если поместить эту газовую составляющую внутрь закрытой трубы, и организовать движение взад и вперед снова и снова. Так можно получать энергию, исключив фактор постоянной подачи воды.

Наконец, есть смысл добавить в конструкцию теплообменник, чтобы энергию горячего газа удерживать внутри машины с последующим использованием повторно для повышения общей эффективности. Это и есть основные способы, которыми выделяется двигатель Стирлинга, как существенная модернизация паровой конструкции.

Существуют регенеративные тепловые двигатели Стирлинга замкнутого цикла, которые в целом соответствуют описанной выше концепции. Регенеративная конструкция указывает на использование теплообменников для сохранения части тепла, которое в противном случае теряется в каждом цикле.

Недостатки

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

• Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
• Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
• Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
• Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
• Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

Преимущества

Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

• Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
• Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
• Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
• Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
• Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
• Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
• Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

Назначение воздухозаборника и особенности системы подачи воздуха в двигатель

Принцип действия двигателя внутреннего сгорания заключается в преобразовании тепловой энергии сгоревшего топлива в механическую. Для этого в камеру сгорания поступает горючая смесь, состоящая из топлива и воздуха, а затем воспламеняется. Оптимальное соотношение компонентов обеспечивает получение максимальных динамических характеристик. За забор и впуск воздуха в цилиндры двигателя отвечает соответствующая система питания.

Основные системы наддува

Независимо от конструкции, воздух в двигатель попадает из атмосферы. Это актуально как для бензиновых, так и дизельных модификаций. В общем случае в схему входят:

• воздухозаборник;
• фильтр;
• впускной патрубок;
• турбокомпрессор;
• дроссельная заслонка (для бензиновых двигателей);
• промежуточный радиатор;
• впускной коллектор.

Турбокомпрессором (турбиной) оснащают дизельные моторы, но принудительным наддувом оборудуют также и работающие на бензине. Наддув позволяет силовому агрегату развить более высокую мощность за счёт генерации большего давления.

Система подачи воздуха на бензиновых двигателях

Конструкция систем питания воздухом моторов любых моделей принципиальных отличий не имеет. Первый элемент — воздухозаборник, компонент двигателя, который отвечает за сообщение с атмосферой. Его устанавливают под капотом так, чтобы эффективно забирать воздушные массы на всех скоростных режимах. Раструб воздухозаборника закреплён корпусом головной оптики с правой или с левой стороны авто, около радиаторной решётки.

После попадания в заборник поток движется в фильтр. Это обязательный компонент воздушной системы двигателя, отвечающий за очистку потока от пыли. Если мельчайшие частицы из атмосферы будут беспрепятственно поступать в ДВС, начнётся интенсивный износ стенок цилиндров, что приведёт к поломке мотора. Фильтр очистки поступающего воздуха включает фильтрующий элемент и корпус. Устанавливают его в подкапотном пространстве недалеко от воздухозаборника, к корпусу авто крепят через резиновые демпферы.

Миновав фильтр, воздушный поток попадает во впускной патрубок. Это соединительная труба, предназначенная для дистанцирования элементов системы. В нижней части патрубка делают «ловушку» для воды. Это небольшое углубление, куда стекает жидкость, попавшая в устройство для подачи воздуха после преодоления глубоких луж.