Техника - молодёжи 1966-01, страница 39
TV df iMWtAt me urn e П'Г А И ь у Рис. Н. Рож нова 28—30% и лучших образцов дизеля с кпд 32—35%. Впрочем, не в экономичности главное достоинство и залог успеха стирлиига. Он легко может быть приспособлен для работы с любым источником тепла: солнечными лучами, атомным реактором, дровами, соломой, углем, керосином и даже солевым расплавом. Кроме того, он совершенно бесшумен. Для того чтобы понять, как достигнуты такие преимущества, надо разобраться в работе стирлинга. В основе всех без исключения тепловых двигателей лежит очень простой принцип: на сжатие холодного газа нужно затратить меньше механической, работы, чем ее совершается при расширении горячего газа. Поэтому рабочее тело надо сжать, когда оно холодное, нагреть, дать ему расшириться и совершить полезную работу, а затем охладить для нового сжатия. Так же работает и стирлинг. В принципе это заглушённая с обоих концов труба, разделенная рабочим поршнем на две полости. Одну из них непрерывно нагревают от любого источника тепла. Другую — охлаждают. Холодный газ с повышенным давлением перекачивают сначала в горячую полость. Здесь при неподвижном поршне его температура и давление повышаются до максимума, после чего поршень начинает двигаться под действием нагречаэмого газа. Это рабочий ход. Затем горячий расширившийся газ перекачивают в холодную полость, где он охлаждается до низшей температуры цикла в постоянном объеме (поршень снова неподвижен). Далее движущийся поршень сжимает непрерывно охлаждаемый газ. Теперь его можно уже подавать в горячую полость. Тек работал самый первый двигатель, пока Стирлинг не сообразил, что сжатый холодный газ перед подачей а горячую полость можно подогревать теплом, которое надо отводить при охлаждении расширившегося. Надо лишь в какой-то «еМкости» тепло от газа попеременно то отнимать, то возвращать вновь. Теоретически эта «емкость» — регенератор и делает машину Стирлинга фантастически экономичной, приближая ее цикл к идеальному — циклу Карно. Так обстоит дело теоретически. А практически... 150 ЛЕТ СПУСТЯ. Практически в любой тепловой машине удается получить кпд в 1,5— 2 раза меньше, чем теоретически. И двигатель внешнего сгорания не только не был исключением иэ этого правила, но и содержал в себе источники потерь, которых не знали другие двигатели. Так, ни Стирлинг, ни его ранние последователи не сумели исследовать работу регенератора и спроектировать конструкцию, которая позволила бы реализовать теоретические возможности. Газ, проходя через регенераторы первых стир- лингов, не догревался до температуры горячей полости, и это портило все дело. Вторая причина неуспеха была в том, что первые установки работали на атмосферном воздухе, поэтому их размеры получались огромными, а мощности — малыми. Тем более удивительно, что в этих неблагоприятных условиях Роберт Стирлинг сумел найти такую удачную и остроумную конструкцию, что схема и кинематика рабочей части его машины целиком перекочевали в современные модели. Инженеры лишь тщательно исследовали сердце машины — регенератор и, пользуясь законами теплопередачи, которых, конечно, не мог Знать Стирлинг, довели его эффективность до 98%. Чтобы увеличить мощность и уменьшить размеры, они сделали рабочую часть замкнутой, изолированной от атмосферы и заполнили ее сжатым до 100 атмосфер газом — водородом или гелием. А так как мощность стирлинга зависит от количества газа в цилиндре, то, изменяя давление в цилиндре, можно регулировать мощность в самых широких пределах. При этом температуры, скорость вращения и характеристики двигателя практически не изменяются. Разработано несколько двигателей внешнего сгорания. В одном цилиндре они раз1 ивают мощность до 100 л. с. Обладая высоким кпд, стирлинги не имеют карбюраторов, систем зажигания, клапанов и свечей. Давление в цилиндре хотя и повышается почти до 200 атмосфер, но повышается плавно, а не взрывом, как в двигателях внутреннего сгорания, что в сочетании с полностью уравновешенным кинематическим приводом поршней снимает проблему вибраций. Положив руку на такой двигатель, трудно догадаться, работает он или нет. Правда, стирлинг несколько тяжелее своих соперников. Вес на 1 л. с. у него 5 килограммов, а у дизеля и бензинового мотора соответственно 4,7 и 1,3 килограмма. Но, по мнению специалистов, вес стирлингов в недалеком будущем может быть снижен по крайней мере вдвое. Вот почему уже сейчас обсуждаются планы о переводе на стирлинги катеров, моторных лодок и даже автобусов и автомобилей. Очень любопытна способность стирлингов работать не только на горючем, но и от любого нагретого тела как источника тепла. Маленькая моделька может работать даже от тепла руки. Поэтому, если поставить на двигатель бак с расплавом какого-нибудь вещества, обладающего большой теплотой плавления, можно получить удобный транспорт для шахт и взрывоопасных предприятий. Подсчитано, например, что 7 л расплава окиси алюминия эквивалентны литру бензина. А ведра расплавленного фтористого лития хватает для трехсильного стирлинга на S час. Такая установка предназначена для мотороллера. Но еще раньше такой движок начал работать в космосе. КОСМИЧЕСКИЕ ОБЯЗАННОСТИ СТИРЛИНГА Здесь наряду со сверхмощными ракетными двигателями нужны источники энергии малой мощности, но очень надежные, очень компактные и, главное, очень экономичные. Способность стирлинга работать от любого источника тепла уже используется на одном из искусственных спутников. Лучи фокусируются шестиметровым зеркалом, всегда обращенным к солнцу, и нагревают жидкий сплав NaK до 675° С. Этот сплав прокачивается через головку стирлинга, развивающего мощность 3—5 квт. Когда спутник заходит в тень Земли, стирлинг продолжает работать: 16 кг гидрида лития в тепловом резервуаре запасают в форме теплоты расплава столько энергии, сколько содержат 500 кг электрических батарей. Самая большая сложность для космического стирлинга (как и для любого теплового двигателя, работающего в космосе) — отвод тепла. Если в земных условиях прокачиванием •оды через змеевик можно снять довольно большие количества теплоты, то в космосе единственный механизм тепло-отвода — это излучение. Радиатор космического стирлинга 36 1 |
