Двигатель наружного сгорания принцип работы: Двигатель внешнего сгорания- Принцип работы: достоинства и недостатки

Двигатель внешнего сгорания принцип работы

Двигатели внешнего сгорания стали использоваться тогда, когда людям потребовался мощный и экономичный источник энергии. До этого использовались паровые установки, однако они были взрывоопасными, так как использовали горячий пар под давлением. В начале 19 века им на смену пришли устройства с внешним сгоранием, а еще через несколько десятков лет были изобретены уже привычные приборы с внутренним сгоранием.

• Работа установки
• Применение устройств в настоящее время
• Преимущества использования двигателя
• Принцип работы
• Детали работы
• Применение

Работа установки

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в том, что в нем постоянно чередуются два этапа: нагревание и охлаждение рабочего тела в замкнутом пространстве и получение энергии. Данная энергия возникает из-за того, что постоянно изменяется объем рабочего тела. Чаще всего рабочим веществом в таких устройствах становится воздух, однако возможно использование еще и гелия или водорода.  

Применение устройств в настоящее время

• Использовать такую модель двигателя для перекачки жидкости гораздо проще, чем обычный насос. Во многом это благодаря тому, что в качестве поршня можно применять саму перекачиваемую жидкость. Кроме того, она же и будет охлаждать рабочее тело. К примеру, такой вид «насоса» можно использовать, чтобы накачивать воду в ирригационные каналы, используя для этого солнечное тепло.
• Некоторые изготовители холодильников склоняются к установке таких устройств. Стоимость продукции удастся снизить, а в качестве хладагента можно применять обычный воздух.
• Если совместить двигатель внешнего сгорания этого типа с тепловым насосом, то можно оптимизировать работу тепловой сети в доме.
• Довольно успешно Стирлинги используются на подводных лодках ВМС Швеции. Дело в том, что двигатель работает на жидком кислороде, который впоследствии используется для дыхания. Для подводной лодки это очень важно. К тому же такое оборудование обладает достаточно низким уровнем шума. Конечно, агрегат достаточно большой и требует охлаждения, но именно эти два фактора несущественны, если речь идет о подводной лодке.

Преимущества использования двигателя

• Крутящий момент практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала.
• В данном силовом агрегате отсутствуют такие элементы, как система зажигания и клапанная система. Также здесь отсутствует распредвал.
• Достаточно удобно то, что на протяжении всего периода использования не потребуется проводить регулировку и настройку оборудования.
• Данные модели двигателя не способны «заглохнуть». Простейшая конструкция аппарата позволяет использовать его достаточно продолжительное время в полностью автономном режиме.
• В качестве источника энергии можно использовать практически все, начиная от дров и заканчивая урановым топливом.
• Естественно, что в двигателе внешнего сгорания процесс сжигания веществ осуществляется снаружи. Это способствует тому, что топливо дожигается в полном объеме, а количество токсических выбросов минимизируется.

Принцип работы

Действие мотора заключается в работе по термодинамическим циклам, в которых при разной температуре происходит сжатие и расширение. При этом регулирование потоком рабочего тела реализуется за счет изменяющегося объема (или давления – в зависимости от модели). Таков принцип работы большинства подобных машин, которые могут иметь разные функции и конструктивные схемы. Двигатели могут быть поршневыми или роторными. Машины с их установками работают в качестве тепловых насосов, холодильников, генераторов давления и так далее.

Помимо этого, есть моторы с открытым циклом, где регулирование потоком реализуется посредством клапанов. Именно их называют двигателями Эриксона, кроме общего названия имени Стирлинга. В ДВС полезная работа осуществляется после предварительного сжатия воздуха, впрыска топлива, нагрева полученной смеси вперемешку со сгоранием и расширения.

Двигатель Стирлинга принцип работы имеет такой же: при низкой температуре происходит сжатие, а при высокой – расширение. Но по-разному осуществляется нагрев: тепло подводится через стенку цилиндра извне. Поэтому он и получил название двигателя внешнего сгорания. Стирлинг применял периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Последний перемещает газ с одной полости цилиндра в другую. С одной стороны, температура постоянно низкая, а с другой – высокая. При передвижении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость, а вниз – возвращается в горячую. Сначала газ отдает много тепла холодильнику, а затем от нагревателя получает столько же, сколько отдал. Между нагревателем и холодильником размещается регенератор – полость, наполненная материалом, которому газ отдает тепло. При обратном течении регенератор возвращает его.

Система вытеснителя соединена с рабочим поршнем, сжимающим газ в холоде и позволяющим расширяться в тепле. За счет сжатия в более низкой температуре происходит полезная работа. Вся система проходит четыре цикла при прерывистых движениях. Кривошипно-шатунный механизм при этом обеспечивает непрерывность. Поэтому резких границ между стадиями цикла не наблюдается, а КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Учитывая все вышесказанное, напрашивается вывод, что этот двигатель является поршневой машиной с внешним подводом тепла, где рабочее тело не покидает замкнутое пространство и не заменяется. Чертежи двигателя Стирлинга хорошо иллюстрируют устройство и принцип его действия.

Детали работы

Солнце, электричество, ядерная энергия или любой другой источник тепла может подводить энергию в двигатель Стирлинга.

Принцип работы его тела заключается в применении гелия, водорода или воздуха.

Идеальный цикл обладает термическим максимально возможным КПД, равным от тридцати до сорока процентов.

Но с эффективным регенератором он сможет работать и с более высоким КПД.

Регенерацию, нагрев и охлаждение обеспечивают встроенные теплообменники, работающие без масел. Следует отметить, что смазки двигателю нужно очень мало. Среднее давление в цилиндре составляет обычно от 10 до 20 МПа. Поэтому здесь требуется отличная уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Применение

В настоящее время двигатель Стирлинга с генератором используют во многих областях. Это универсальный источник электрической энергии в холодильниках, насосах, на подводных лодках и солнечных электрических станциях. Именно благодаря применению различного вида топлива имеется возможность его широкого использования.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 3 чел.
Средний рейтинг: 3.7 из 5.

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: топливо горит снаружи

Двигатель

30.05.2020

1 5 878 4 минут чтения

Эта статья посвящена одному изобретению, запатентованному ещё в девятнадцатом веке шотландским одним священником Стирлингом. Как и все предшественники, это был двигатель внешнего сгорания. Только отличие его от остальных в том, что он может работать и бензине, и на мазуте, и даже на угле и дровах.

Оглавление

• 1 Двигатель внешнего сгорания. История открытия Стирлинга
• 2 Двигатель внешнего сгорания. Принцип работы
• 3 Виды стирлингов
• 4 Применение
• 5 Преимущества и недостатки

Двигатель внешнего сгорания. История открытия Стирлинга

В XIX веке возникла необходимость замены паровых двигателей на что-то более безопасное, так как котлы часто взрывались из-за высокого давления пара и некоторых серьезных конструктивных недостатков.

Хорошим вариантом стал двигатель внешнего сгорания, который запатентовал в 1816 году шотландский священник Роберт Стирлинг.

Правда, «двигатели горячего воздуха» делали и раньше, ещё в XVII веке. Но Стирлинг добавил в установку очиститель. В современном понимании ‒ регенератор.

Он повысил производительность установки, сохраняя тепло в тёплой зоне машины, в тот момент, когда рабочее тело охлаждалось. Это значительно увеличило эффективность системы.

Изобретение нашло широкое практическое применение, была стадия подъема и развития, но затем Стирлинги были незаслуженно забыты.

Они уступили место паровым машинам и двигателям внутреннего сгорания, а в двадцатом веке снова возродились.

Ввиду того что этот принцип внешнего сгорания сам по себе очень интересен, сегодня над созданием новых моделей трудятся лучшие инженеры и любители в США, Японии, Швеции…

Двигатель внешнего сгорания. Принцип работы

«Стирлинг» ‒ как мы уже упоминали, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основной принцип его работы заключается в постоянном чередовании нагревания и охлаждения рабочего тела в замкнутом пространстве и получении энергии, благодаря возникающему при этом изменению объёма рабочего тела.

Как правило рабочим телом выступает воздух, но может использоваться водород или гелий. В опытных образцах пробовали двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан и даже воду.

Кстати, вода пребывает в жидком состоянии на протяжении всего термодинамического цикла. А сам «стирлинг» с жидким рабочим телом имеет компактные размеры, высокую удельную мощность и высокое рабочее давление.

Виды стирлингов

Существуют три классических вида двигателя Стирлинга:

• Альфа-Стирлинг ‒ имеет два раздельных силовых поршня расположенных в раздельных цилиндрах. Один из них ‒ горячий, а другой ‒ холодный. Горячая пара «цилиндр и поршень» расположены в теплообменнике с высокой температурой, холодная пара «цилиндр и поршень» ‒ с пониженной температурой. У этого вида соотношение мощности и объёма достаточно велико, хотя, и очень высокая температура «горячего» поршня, что создаёт технические трудности при изготовлении.
  Регенератор расположен между горячей и холодной соединительными трубками;
• В модели Бета-Стирлинг ‒ всего один цилиндр. Он горячий на одном конце и холодный на другом. Внутри цилиндра перемещаются поршень (с него снимают мощность) и вытеснитель (он изменяет объём горячей зоны). Газ качается из холодной зоны цилиндра в горячую сквозь регенератор. Регенераторы бывают внешними, в виде части теплообменника, или совмещёнными с поршнем-вытеснителем;
• В варианте Гамма-Стирлинг тоже присутствуют поршень и вытеснитель, но здесь уже два цилиндра: первый холодный (где движется поршень для отбора мощности), и второй ‒ горячий с одной стороны и холодный с другой (там перемещается вытеснитель). Регенератор также может быть внешним, тогда он соединяет горячую зону второго цилиндра с холодной и с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор конструктивно входит в состав вытеснителя;

Применение

Двигатель Стирлинга можно применять в случаях, если требуется простой, компактный преобразователь тепловой энергии или когда эффективность других типов тепловых машин ниже: к примеру, если разница температур недостаточна для использования газовой или паровой турбины.

Вот конкретные примеры использования:

• Уже сегодня выпускаются автономные генераторы для туристов. Есть модели, которые работают от газовой конфорки;

NASA заказало вариант генератора на основе «стирлинга», который работает от ядерного и радиоизотопного источников тепла. Он будет использоваться в космических экспедициях.

• «Стирлинг» для перекачки жидкости гораздо проще установки «двигатель-насос». В качестве рабочего поршня он может использовать перекачиваемую жидкость, которая будет заодно охлаждать рабочее тело.Таким насосом можно накачивать воду в ирригационные каналы, используя солнечное тепло, подавать горячую воду от солнечного коллектора в дом, перекачивать химические реагенты, поскольку система полностью герметична;
• Производителей бытовых холодильников внедряют модели на «стирлингах». Они будут экономнее, а в качестве хладагента предполагается использоваться обычный воздух;
• Совмещённый Стирлинг с тепловым насосом оптимизирует систему отопления в доме. Он будет отдавать бросовое тепло «холодного» цилиндра, а полученную механическую энергию может использовать для подкачки тепла, которое идет из окружающей среды;
• Сегодня на всех подводных лодках ВМС Швеции установлены двигатели Стирлинга. Они работают на жидком кислороде, который в дальнейшем используется для дыхания. Очень важный фактор для лодки, низкий уровень шума, а недостатки типа: «большой размер», «необходимость охлаждения» – в условиях подводной лодки не существенны. Аналогичными установками оснащены и новейшие японские подводные лодки типа «Сорю»;
• Двигатель Стирлинга используется для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого он монтируется в фокусе параболического зеркала. Компания Stirling Solar Energy строит солнечные коллекторы мощностью до 150 кВт на зеркало. Они используются на крупнейшей в мире солнечной электростанции в южной Калифорнии.

Преимущества и недостатки

Современный уровень проектирования и технологии изготовления позволяют повысить коэффициент полезного действия «Стирлинга» до 70 процентов.

Плюсы:

• Что удивительно, крутящий момент двигателя практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала;
• Силовая установка не содержит системы зажигания, клапанной системы и распредвала.
• На протяжении всего срока эксплуатации не нужны регулировки и настройки.
• Двигатель не «глохнет», а простота конструкции позволяет эксплуатировать его в автономном режиме продолжительное время;
• Можно использовать любые источники тепловой энергии, от дров до уранового топлива.
• Сжигание топлива происходит вне двигателя, что способствует его полному дожиганию и минимизации выбросов токсичных веществ.

Минусы:

• Так как топливо сгорает вне двигателя, то отвод тепла идёт через стенки радиатора, а это дополнительные габариты;
• Материалоемкость. Чтобы сделать Стирлинг-машину компактной и мощной требуются дорогие жаропрочные стали, способные выдерживать высокое рабочее давление и имеющие низкую теплопроводность;
• Нужна специальная смазка, обычная для «Стирлингов» не подходит, так как коксуется при высоких температурах;
• Чтобы получить высокую удельную мощность, рабочее тело в «Стирлингах» применяют водород и гелий.

Водород отличается взрывоопасностью, а при высоких температурах может растворяться в металлах, образуя при этом металлогидриты. Иными словами, происходит разрушение цилиндров двигателя.

А ещё водород и гелий обладают высокой проникающей способностью и легко просачиваются через уплотнения, понижая рабочее давление.

Если вы, познакомившись с нашей статьёй, захотите приобрести устройство — двигатель внешнего сгорания, не бегите в ближайший магазин, такая штука не продаётся, увы…

Сами понимаете, те, кто занимается усовершенствованием и внедрением этой машины, держат свои разработки в секрете и продают их только солидным покупателям.

Но если вы поделитесь ссылкой на статью в социальных сетях, то возможно ваш комментарий прочитают заинтересованные люди и вы сможете пообщаться с единомышленниками на эту тему.

И не забудьте подписаться на наш блог – уверен, вас ждёт много интересного.

Смотрите это видео и делайте своими руками.

Статьи по теме

Что такое двигатель внешнего сгорания? Их пример

13 августа 2022 г. 25 сентября 2021 г.

Двигатель внешнего сгорания – это тепловой двигатель, в котором (внутреннее) рабочее тело нагревается за счет сгорания внешнего источника через стенку двигателя или теплообменник. Затем жидкость, расширяясь и воздействуя на механизм двигателя, производит движение и полезную работу.

Затем жидкость охлаждается, сжимается и повторно используется в замкнутом цикле. В отличие от парового двигателя, в котором в качестве рабочего тела используется вода как в жидкой, так и в газообразной фазах, в двигателе Стирлинга содержится фиксированное количество постоянно газообразной жидкости, такой как воздух или гелий.

Как и во всех тепловых двигателях, общий цикл состоит из сжатия холодного газа, нагрева газа, расширения горячего газа и, наконец, охлаждения газа перед повторением цикла.

Внешние тепловые двигатели обычно представляют собой паровые двигатели, и они отличаются от двигателей внутреннего сгорания тем, что источник тепла отделен от рабочей жидкости. Например, двигатель внешнего сгорания будет использовать пламя для нагрева воды в пар, а затем использовать пар для вращения турбины. Это отличается от внутреннего сгорания, как в двигателе автомобиля, где бензин воспламеняется внутри поршня, работает, а затем выбрасывается.

Все двигатели внешнего сгорания являются внешними тепловыми двигателями. Существуют ЭТЭ, такие как солнечные тепловые электростанции, атомные электростанции и геотермальные электростанции, которые не являются двигателями внешнего сгорания. Несмотря на это, внешние тепловые двигатели, как и ядерные реакторы, иногда называют двигателями внешнего сгорания.

Двигатели внешнего сгорания являются наиболее распространенной формой внешних тепловых двигателей из-за их использования на электростанциях. Двигатель внешнего сгорания отличается от других ЭТО тем, что ему требуется топливо для сгорания, чтобы создать тепло, которое используется для работы.

Двигатели внешнего сгорания больше не используются на транспорте, так как мобильные конструкции недостаточно эффективны, но их продолжают использовать на электростанциях. Например, электростанция, работающая на природном газе, превращает воду в пар, который вращает турбину и вырабатывает электричество.

Конструкция с внешним сгоранием означает, что природный газ не вступает в непосредственный контакт с водой, и двигатель по-прежнему использует огромное количество выделяемой энергии для выполнения полезной работы. Примерно так же работает угольная электростанция, где уголь забирается на электростанцию ​​из шахты и сжигается в котле. Трубы направляют воду в котел, и горящий уголь кипятит воду, создавая пар, который вращает турбину и вырабатывает электричество.

«Сжигание» относится к сжиганию топлива с окислителем для подачи тепла. Двигатели аналогичной (или даже идентичной) конфигурации и работы могут использовать подвод тепла из других источников, таких как ядерные, солнечные, геотермальные или экзотермические реакции, не связанные с горением; тогда они строго не классифицируются как двигатели внешнего сгорания, а как внешние тепловые двигатели.

Рабочая жидкость может быть любого состава, а система может быть однофазной (только жидкость или только газ) или двухфазной (жидкость/газ).

• Однофазный: Газ используется в двигателе Стирлинга. Иногда можно использовать однофазную жидкость.
• Двухфазный: Двухфазные двигатели внешнего сгорания используют фазовый переход для преобразования температуры в полезную работу, например, из жидкости в (как правило, гораздо большую) газ. Этот тип двигателя соответствует вариантам цикла Ренкина. Паровые двигатели являются распространенным примером двухфазных двигателей. Другой пример — двигатели, использующие органический цикл Ренкина.

• Реактор CANDU (разновидность атомной электростанции)
• Угольная электростанция
• Газовая электростанция
• Паровоз (хотя осталось очень мало действующих образцов48 9004) 9004 силовая установка
• Двигатель Стирлинга

• Можно использовать почти любой доступный вид топлива.
• Выбросы двигателя также очень низкие
• Очень экономичны для огромной формирования электроэнергии

• Не подходят для требований с низкой нагрузкой
• Рабочая жидкость
• LOBRIC. относительно большой
• Общая рабочая температура высока, поэтому требуется большой уход и специальные строительные материалы

• Паровые двигатели: локомотив, Marine
• Стерлинговые двигатели: Экспериментальные космические транспортные средства
• Паровые турбины: Power, Marine
• Закрытые газовые турбины: Power, Marine
• Закрытые газовые турбины: Power, Marine
• Закрытая газовая турбина: Power, Marine
• . Enginesсообщите об этом объявлении

  Разница между двигателем внутреннего и внешнего сгорания

  27 августа 2012 г. Опубликовано Admin

  Двигатель внутреннего и внешнего сгорания
   

  Двигатель внутреннего сгорания и двигатель внешнего сгорания являются типами тепловых двигателей, использующих тепловую энергию, полученную при сгорании, в качестве основного источника энергии. Проще говоря, оба этих типа машин преобразуют тепловую энергию в механическую работу в виде вращения вала, которая впоследствии используется для приведения в действие любых механизмов, от автомобилей до пассажирских самолетов.

  Подробнее о двигателе внутреннего сгорания

  Двигатель внутреннего сгорания представляет собой тепловую машину, в которой процесс сгорания топлива в смеси с окислителем происходит в камере сгорания, являющейся составной частью контура движения рабочего тела.

  Основным принципом работы любого двигателя внутреннего сгорания является сжигание топливно-воздушной смеси, создание объема газа с высоким давлением и температурой и использование давления для перемещения компонента, прикрепленного к валу. Механизмы, используемые для получения этой функциональности, разнообразны, а двигатели специально разработаны и обладают собственными характерными свойствами.

  Наиболее распространенным типом двигателей внутреннего сгорания является поршневой двигатель или поршневой двигатель, в котором поршень, соединенный с коленчатым валом, перемещается за счет давления и тепла, образующихся при сгорании. У них относительно низкое отношение мощности к весу, а поток рабочей жидкости прерывистый, поэтому они используются для питания относительно небольших мобильных единиц, таких как автомобили, локомотивы или первичные двигатели. Поршневые двигатели термодинамически моделируются циклом Отто или циклом Дизеля.

  Газотурбинные двигатели также являются двигателями внутреннего сгорания, но используют газ под высоким давлением для перемещения лопастей турбины, соединенной с валом. Сгорание газотурбинных двигателей непрерывное и имеет очень высокое отношение мощности к весу; поэтому они используются в крупных мобильных устройствах, таких как реактивные самолеты, коммерческие авиалайнеры и корабли. Газотурбинные двигатели, работающие с воздухом в качестве рабочего тела, моделируются циклом Брайтона. Топливом, используемым во многих двигателях внутреннего сгорания, является нефтяное топливо разной степени очистки.

  Подробнее о двигателе внешнего сгорания

  Двигатель внешнего сгорания — это тепловой двигатель, в котором рабочая жидкость доводится до высокой температуры и давления за счет сжигания внешнего источника тепла через стенку двигателя или теплообменник во внешнем источнике, а процесс сгорания процесс происходит вне цикла течения рабочего тела.

  Большинство типов паровых двигателей представляют собой двигатели внешнего сгорания, в которых вода превращается в перегретый пар с помощью внешнего источника тепла, такого как котел, работающий от тепловой энергии, ядерной энергии или сжигания ископаемого топлива.