Шрифт:
Посвящается моей маме, Азановой Александре Михайловне, урождённой Куклиной, 1925 г. р., отдавшей мне всю свою жизнь без остатка…
Вместо предисловия
В настоящий момент патенты РФ № 2627760 и № 2674839 (см. сайтраздел Информационные ресурсы/Открытые реестры) М. И. Азанова, автора этих строк, открывают возможность создания в России новой отрасли энергомашиностроения для производства энергоустановок, вырабатывающих электричество, тепло и холод для индивидуальных частных домохозяйств, подводного флота и космических аппаратов.
Однако, до сих пор в России даже от опытных экспертов и специалистов крупных компаний можно услышать такое странное
Это при том, что шведская компания Kockums Naval Systems серийно производит для военно-морского флота субмарины, оснащённые стирлингами в качестве вспомогательной силовой установки, конкурирующие по продолжительности подводного хода с атомными подлодками. При том, что массово внедряются в домохозяйствах Европы и Японии т. н. micro-CHP – микро-ТЭЦ, работающие на природном газе, экономящие пользователям сотни долларов в год на счетах за электроэнергию. Компания Guyer Climate Energy проводит бесплатные демонстрации своих блочных микро-ТЭЦ, чтобы расширить рынок. Из чего можно сделать однозначный вывод о том, что прагматический интерес к тематике SCE – stirling cycle engines – тепловых машин, работающих по замкнутому термодинамическому циклу Стирлинга, только возрастает.
Да, классический стирлинг имеет не изжитые недостатки – громоздкие передаточные механизмы и значительные т. н. «мёртвые» объёмы. Первые приводят к большим массивным картерам, ухудшающим удельные характеристики. Вторые же снижают его КПД – коэффициент полезного действия. От этих «врождённых пороков» несвободны все известные на данный момент схемы и типы – альфа-, бета-, гамма-, гибридные схемы.
С решением проблемы компактного привода связан мой патент РФ № 2627760 на изобретение «ПРИВОД ПОРШНЕЙ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА», который, разумеется, не лишён недостатков, но он единственный из известных мне, позволяет реализовать необычное прерывистое движение поршней с короткими остановками в т. н. «мёртвых точках», что позволяет увеличить интегральную площадь рабочего цикла и, следовательно, производимую двигателем работу.
Ещё важнее решение проблемы «мёртвого» объёма – мой патент РФ № 2674839 на изобретение «ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА С ЧАШЕОБРАЗНЫМ ПОРШНЕМ-ВЫТЕСНИТЕЛЕМ».
Дело в том, что объективная необходимость максимального удаления зоны нагрева от зоны охлаждения для обеспечения температурного градиента горячих и холодных стенок цилиндра вынуждает делать высоту поршня-вытеснителя в известных двигателях Стирлинга больше его диаметра в полтора, два раза и более, что обуславливает значительные габариты и вес как вынужденно пустотелого поршня-вытеснителя (иначе поршень был бы недопустимо тяжёлым), так и блока цилиндра, и двигателя в целом. При таком соотношении высот и диаметров цилиндра и поршня-вытеснителя площадь традиционно полусферической внутренней теплоподводящей поверхности цилиндра недостаточна для цикла нагрева рабочего тела, что вынуждает дополнительно увеличивать теплоподводящую поверхность применением нагревательных трубок, усложняющих и удорожающих конструкцию. Однако, внутренние объёмы известного поршня-вытеснителя и нагревательных трубок значительно увеличивает «мёртвый» объём двигателя, что снижает его эффективную мощность и КПД, следовательно, их нужно «убить»!
В патенте РФ № 2674839 мною предложен тонкостенный чашеобразный поршень-вытеснитель большего диаметра, чем диаметр рабочего поршня, и соответствующая ему конфигурация головки цилиндра, применение которых влечёт ряд значительных положительных следствий для тепловой эффективности стирлинга.
На фиг. 1 и фиг. 2 рисунка 1 схематично показаны для сравнения головки цилиндров классического бета-стирлинга и предложенного мною также бета-стирлинга соответственно.
< image l:href="#"/>Рис. 1
На
Рис. 2
Важно: для последующего расчётного сравнения геометрию предлагаемого цилиндра всегда можно подобрать так, что его масса будет равна массе классического цилиндра, а внутренний объём цилиндров в обоих случаях также будет одинаков. При этом и диаметры нижних частей обоих вариантов цилиндров, в которых перемещаются рабочие поршни – одинаковы. Разница только в верхних частях цилиндров, в которых перемещаются поршни-вытеснители.
Предлагаемый поршень-вытеснитель принципиально отличается как от поршня-вытеснителя, применяемого в LTD – low temperature difference engines – двигателях Стирлинга с низкой разницей температур, т. е. работающих в режиме с низким перепадом температур между горячими и холодными зонами, так и от классического цилиндрического тонкостенного поршня-вытеснителя, внутренний объём которого для предотвращения смятия высоким давлением рабочего газа сообщается посредством отверстия с общими объёмами двигателя, образуя тот самый «мёртвый» объём, резко ухудшающий эффективность двигателя.
Действительно, предлагаемый чашеобразный тонкостенный поршень-вытеснитель не имеет внутренних объёмов и, следовательно, не зависит от величины давления рабочего газа, легче, прочнее и устойчив к вибрации, а в известных LTD– стирлингах поршень-вытеснитель одновременно несёт на себе ещё и регенераторную насадку, что резко утяжеляет его и обуславливает крайне низкие обороты двигателя, ограничивая область применения ролью учебного пособия.
Геометрия предлагаемого поршня-вытеснителя и соответствующей ему головки цилиндра может варьироваться в широких пределах, но подбирается так, чтобы верхняя поверхность поршня-вытеснителя в положении верхней «мёртвой точки» могла прилегать без зазоров к внутренней теплоподводящей поверхности головки цилиндра для контактного получения от неё тепла, а нижняя поверхность поршня-вытеснителя в положении нижней «мёртвой точки» – к теплоотводящей внутренней поверхности цилиндра для контактной же отдачи тепла.
Предлагаемый поршень-вытеснитель формой может напоминать сегмент шара, параболическую антенну, кубок, рюмку или иное тело вращения, а может иметь в плане форму многоугольника. Ещё более интересен и перспективен вариант с рёбрами жёсткости и развитыми фрактальными поверхностями, значительно увеличивающими площади теплообмена.
Материал предлагаемого поршня-вытеснителя должен иметь низкую теплопроводность, например, керамоматричный композит, это возможно, поскольку работа стирлинга происходит без взрывов и резких ударов, а на верхней и нижней его поверхностях может быть сделано покрытие из тонкой фольги или напыление металла с высокой теплопроводностью, например, меди.
В результате, большой диаметр поршня-вытеснителя, а также соответственно большие теплоподводящие и теплоотводящие внутренние поверхности головки цилиндра, сопрягаемые в положениях «мёртвых точек» с верхней и нижней поверхностями поршня-вытеснителя, создают условия для гораздо более интенсивного прогрева объёма рабочего газа, находящегося между поршнем-вытеснителем и теплоподводящей внутренней поверхностью головки цилиндра, и гораздо более интенсивного охлаждения объёма рабочего газа, находящегося между поршнем-вытеснителем и теплоотводящей внутренней поверхностью цилиндра. В некоторых случаях площадей теплообмена будет достаточно, чтобы отказаться от нагревательных трубок, что дополнительно уменьшит «мёртвый» объём.