Silnik z zewnętrznym spalaniem: rodzaje, zasada działania, cechy

Silniki spalinowe były używane, gdy ludzie potrzebowali potężnego i ekonomicznego źródła energii. Wcześniej stosowano instalacje parowe, jednak były wybuchowe, ponieważ wykorzystywały gorącą parę pod ciśnieniem. Na początku XIX wieku zostały one zastąpione urządzeniami z zewnętrznym spalaniem, a po kilkudziesięciu latach wynaleziono już znane urządzenia z wewnętrznym spalaniem.

Pochodzenie urządzenia

W XIX wieku ludzkość stanęła przed problemem, który polegał na tym, że kotły parowe wybuchały zbyt często, a także miały poważne wady konstrukcyjne, które sprawiały, że ich użytkowanie było niepożądane. Zjazd został odnaleziony w 1816 roku przez szkockiego księdza Roberta Stirlinga. Urządzenia te można również nazwać "silnikami gorącego powietrza", które były używane już w XVII wieku, ale ta osoba dodała oczyszczacz do wynalazku, który jest obecnie nazywany regeneratorem. Tak więc silnik spalania zewnętrznego Stirlinga był w stanie znacznie zwiększyć wydajność instalacji, ponieważ zatrzymywał on ciepło w ciepłym obszarze roboczym, podczas gdy płyn roboczy był chłodzony. Z tego powodu wydajność całego systemu została znacznie zwiększona.

W tym czasie wynalazek był używany dość szeroko i zyskiwał popularność, ale z czasem nie był już używany i został zapomniany. Do wymiany urządzeń zewnętrznego spalania doszło instalacje parowe i silniki, ale już znane, z wewnętrznym spalaniem. Znów pamiętano je dopiero w XX wieku.

Działanie instalacji

Zasada działania zewnętrznego silnika spalinowego polega na tym, że nieustannie zmienia on dwa etapy: ogrzewanie i chłodzenie płynu roboczego w ograniczonej przestrzeni i uzyskanie energii. Energia ta wynika z faktu, że objętość płynu roboczego stale się zmienia.

Najczęściej substancja robocza w takich urządzeniach staje się powietrzem, ale możliwe jest również użycie helu lub wodoru. Podczas gdy wynalazek był na etapie rozwoju, jako eksperymenty stosowano substancje takie jak dwutlenek azotu, freony i upłynniony propan-butan. W niektórych próbach próbowano nawet zwykłej wody. Należy zauważyć, że silnik spalinowy, który został uruchomiony wraz z wodą jako substancją roboczą, wyróżniał się tym, że miał wystarczająco wysoką gęstość mocy, wysokie ciśnienie i był raczej zwarty.

Pierwszy typ silnika. Alfa

Pierwszym modelem, który został użyty był Stirling Alpha. Specyfika jego konstrukcji polega na tym, że ma dwa tłoki mocy umieszczone w różnych cylindrach w oddzielnych cylindrach. Jeden z nich miał dość wysoką temperaturę i był gorący, a drugi, przeciwnie, był zimny. We wnętrzu wymiennika ciepła o wysokiej temperaturze znajdowała się gorąca para tłokowo-tłokowa. Zimna para znajdowała się w wymienniku ciepła o niskiej temperaturze.

Główne zalety silnik cieplny zewnętrzne spalanie polegało na tym, że miały dużą moc i objętość. Jednak temperatura gorącej pary była zbyt wysoka. Z tego powodu wystąpiły pewne trudności techniczne w procesie wykonywania takich wynalazków. Regenerator tego urządzenia znajduje się między gorącymi i zimnymi rurami łączącymi.

Druga próbka. "Beta"

Drugim modelem był model "Beta" Stirling. Główną różnicą strukturalną było to, że był tylko jeden cylinder. Jeden z jego końców służył jako gorąca para, a drugi koniec pozostawał zimny. Wewnątrz tego cylindra przesunięto tłok, z którego można usunąć moc. Również w środku znajdował się wyrzutnik, który był odpowiedzialny za zmianę objętości gorącego miejsca pracy. To urządzenie wykorzystywało gaz, który był pompowany z zimnej do gorącej strefy przez regenerator. Ten typ zewnętrznego silnika spalinowego posiadał regenerator w postaci zewnętrznego wymiennika ciepła lub był połączony z tłokiem-propelentem.

Najnowszy model. "Gamma"

Najnowszą wersją tego silnika była Stirling Gamma. Ten typ wyróżniała się nie tylko obecnością tłoka, ale także przemieszczeniem, ale także tym, że zawiera już dwa cylindry. Podobnie jak w pierwszym przypadku, jeden z nich był zimny i był używany do startu mocy. Ale drugi cylinder, tak jak w poprzednim przypadku, był zimny od jednego końca i gorący od drugiego. Tutaj przemieszczający się ruszył. Silnik tłokowy z zewnętrznym spalaniem miał również regenerator, który mógłby być dwóch typów. W pierwszym przypadku były to zewnętrzne i wzajemnie połączone takie elementy konstrukcyjne jak strefa gorąca zimnego walca, jak również pierwszy cylinder. Drugi typ to wewnętrzny regenerator. Jeśli ta opcja była użyta, była to część projektu wypychacza.

Zastosowanie Stirlinga jest uzasadnione, jeśli potrzebny jest prosty i mały konwerter energii cieplnej. Można go również stosować, jeśli różnica temperatur nie jest wystarczająco duża, aby wykorzystać turbiny gazowe lub parowe. Warto zauważyć, że dziś takie próbki były częściej używane. Na przykład modele wolnostojące są używane dla turystów, którzy są w stanie pracować z palnikiem gazowym.

Teraz urządzenia aplikacji

Wydaje się, że taki stary wynalazek nie może być dzisiaj użyty, jednak tak nie jest. NASA zamówiła silnik spalinowy typu Stirlinga, ale jako substancję roboczą należy zastosować jądrowe i radioizotopowe źródła ciepła. Ponadto może być z powodzeniem wykorzystany do następujących celów:

• Używanie takiego modelu silnika do pompowania płynu jest znacznie łatwiejsze niż zwykła pompa. Jest to w dużej mierze spowodowane faktem, że sama pompowana ciecz może być używana jako tłok. Ponadto chłodzi płyn roboczy. Na przykład ten rodzaj "pompy" może być używany do pompowania wody do kanałów irygacyjnych za pomocą ciepła słonecznego.
• Niektórzy producenci lodówek mają tendencję do instalowania takich urządzeń. Koszt produkcji można zmniejszyć, a zwykłe powietrze można wykorzystać jako czynnik chłodniczy.
• W przypadku połączenia zewnętrznego silnika spalinowego tego typu z pompą ciepła można zoptymalizować działanie sieci cieplnej w domu.
• Zupełnie pomyślnie Stirling używane w okrętach podwodnych szwedzkiej marynarki wojennej. Faktem jest, że silnik pracuje na ciekłym tlenie, który jest następnie używany do oddychania. Dla łodzi podwodnej jest to bardzo ważne. Ponadto taki sprzęt ma dość niski poziom hałasu. Oczywiście, urządzenie jest dość duże i wymaga chłodzenia, ale te dwa czynniki są nieistotne, jeśli chodzi o okręt podwodny.

Zalety korzystania z silnika

Jeśli podczas projektowania i montażu zastosować nowoczesne metody, możliwe będzie podniesienie wydajności zewnętrznego silnika spalinowego do 70%. Wykorzystaniu takich próbek towarzyszą następujące pozytywne cechy:

• Niespodziewanie jednak moment obrotowy w takim wynalazku jest praktycznie niezależny od prędkości obrotowej wału korbowego.
• W tej jednostce mocy nie ma żadnych elementów, takich jak układ zapłonowy i system zaworów. Również nie ma wałka rozrządu.
• Dogodnie na tyle, że przez cały okres użytkowania nie będzie wymagana regulacja i regulacja sprzętu.
• Te modele silników nie są w stanie "utknąć". Najprostsza konstrukcja urządzenia pozwala na używanie go przez dość długi czas w całkowicie autonomicznym trybie.
• Prawie wszystko może być wykorzystane jako źródło energii, zaczynając od drewna opałowego i kończąc na paliwie uranowym.
• Naturalnie w spalaniu zewnętrznym proces spalania substancji odbywa się na zewnątrz. To przyczynia się do tego, że paliwo jest całkowicie wypalone, a ilość toksycznych emisji jest zminimalizowana.

Wady

Oczywiście każdy wynalazek nie jest pozbawiony wad. Jeśli mówimy o minusach takich silników, są one następujące:

1. Z uwagi na to, że spalanie odbywa się poza silnikiem, wytwarzane ciepło jest usuwane przez ściany grzejnika. Zmusza to do zwiększenia rozmiaru urządzenia.
2. Zużycie materiałów. Aby stworzyć kompaktowy i wydajny model silnika Stirlinga, konieczne jest posiadanie wysokiej jakości stali żaroodpornej, odpornej na wysokie ciśnienie i wysoką temperaturę. Ponadto musi występować niskie przewodnictwo cieplne.
3. Jako smar, będziesz musiał kupić specjalne narzędzie, ponieważ zwykłe koksowanie odbywa się w wysokich temperaturach, które osiąga się w silniku.
4. Aby uzyskać wystarczająco wysoką gęstość mocy, konieczne jest użycie wodoru lub helu jako substancji roboczej.

Wodór i hel jako paliwo

Uzyskanie dużej mocy jest oczywiście konieczne, ale musisz zrozumieć, że użycie wodoru lub helu jest dość niebezpieczne. Na przykład wodór jest dość wybuchowy iw wysokich temperaturach tworzy związki zwane hydratami metali. Dzieje się tak, gdy wodór rozpuszcza się w metalu. Innymi słowy, może zniszczyć cylinder od wewnątrz.

Ponadto zarówno wodór jak i hel są lotnymi substancjami, które charakteryzują się wysoką penetracją. Mówiąc najprościej, łatwo przenikają przez prawie wszystkie uszczelki. Utrata substancji oznacza utratę ciśnienia roboczego.

Silnik obrotowy spalinowy

Sercem takiej maszyny jest obrotowa maszyna ekspansyjna. W przypadku silników o zewnętrznym typie spalania element ten ma postać wydrążonego cylindra, który pokryty jest z obu stron pokrywami. Sam wirnik ma wygląd koła zamontowanego na wale. Ma również pewną liczbę wysuwanych płytek w kształcie litery U. Do ich promocji wykorzystuje specjalne urządzenie do przesuwania.

Silnik spalinowy Lukyanov

Yury Lukianov jest badaczem w Instytucie Politechnicznym Pskowski. Od dawna zajmuje się opracowywaniem nowych modeli silników. Naukowiec starał się upewnić, że w nowych modelach brakuje takich elementów jak skrzynia biegów, wałek rozrządu i rura wydechowa. Główną wadą urządzeń Stirlinga było to, że były zbyt duże. Właśnie ten niedostatek naukowiec był w stanie wyeliminować ze względu na fakt, że ostrza zostały zastąpione tłokami. Pomogło to kilkakrotnie zmniejszyć rozmiar całej konstrukcji. Niektórzy mówią, że możesz zrobić zewnętrzny silnik spalinowy własnymi rękami.