Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)

• механическим разрывом поверхностной пленки;
• формированием электрической дуги на поверхности;
• введением капли воды на поверхность расплава.

После воспламенения наблюдалось стабильное горение, регулируемое изменением количества подаваемого окислителя. 

Сгорание лития в большинстве  случаев было полным. Получаемый в результате реакции осадок в тигле можно было соскоблить и отмыть горячей водой, что позволяет сделать вывод о возможности повторного использования реакторного контейнера в установках такого типа.

В закрытой системе осуществлялась беспламенная реакция. При подаче окислителя (фреоны, SF₆) в расплав температура расплава увеличивалась, причем реакция легко регулировалась изменением подачи окислителя.

В Экспериментальной установке  сосуд-реактор с окислением лития  фреоном был помещен около  нагревателя двигателя

Ть°С 660
	то
то	I
186	>1700
98	980
651	1400
186	815 Г
186	610

ЮГ ТП7

NaF,

Ж

ЦТ;

и ci,

Li ClA

 

 

VJ-

кВт- ч/м

кВт-ч/т

Li. С Clz Fj Li C3CVF4

с?аУз

TTCTFi

тш;

7000 6000 5000 mo mo 20001000 100 200 mm 500 soo 700 soo

Энергоемкость

 

Рис. 40. Энергетические характеристики систем окисления металла для  различных сочетаний металл—окнслнтель.

Г| — температура плавления топлива, °С; Т₂ — температура реакции, °С.

Стирлинга мощностью 0,185 кВт. Несмотря на то что излучение было единственным способом теплопередачи к нагревателю (а это, естественно, ограничивало общие  характеристики системы), двигатель работал устойчиво с регулированием режима нагрузки в широком диапазоне.

Энергетическую установку подводного аппарата, состоящую из двигателя  Стирлинга и системы окисления  металлов, зарубежные специалисты предлагают скомпоновать следующим образом.

Окислитель размещают в эластичной емкости за пределами прочного корпуса. Давление паров окислителя при температуре  окружающей воды и давление воды обеспечивают подачу окислителя в реактор без насоса и испарителя. Окислитель вводится ниже поверхности расплава лития. Трубы нагревателя двигателя погружены прямо в реактор с расплавом. Для интенсификации теплопередачи к трубам нагревателя, а также для боль- 

Шей однородности концентрации и температуры  расплав постоянно размешивается.

При наблюдаемой температуре реакции (930—980° С) соли, получающиеся в результате реакции, плохо растворимы в литии. Поэтому образуются два слоя, один из которых состоит преимущественно из лития, а другой— из соли. Большая плотность второго слоя содействует отделению продуктов реакции от металлического топлива и поддержанию в зоне реакции богатого топливом раствора.

Параметрический анализ, выполненный  морской инженерной лабораторией ВМФ США [18, 30], позволил сопоставить

Рис. 41. Зависимость удельной массы различных энергетических систем мощностью 50 кВт для подводного использования от расчетного времени работы. Установки с различными типами двигателей:

1. — аккумуляторные батареи:
2. — атомная энергетическая установка; 3 — топливные элементы; 4 — установка с маховиком.

Установки с двигателями Стирлинга:

5. — с тепловым аккумулятором;
6. — со сжиганием металла в Fne; 7 —со сжиганием металла

в SFe-

удельные массы энергетических систем различного типа (рис. 41). Сравнение  проводилось для энергетической установки мощностью 50 кВт [30]. При расчете удельной массы не учитывали массу прочного корпуса и плавучих материалов, необходимых для обеспечения нулевой плавучести. Вместе с тем для малых расчетных периодов эксплуатации (до 10 ч) удельная масса установки с двигателем Стирлинга и топливным аккумулятором значительно меньше, чем удельная масса установки со свинцовокислотными аккумуляторными батареями и электродвигателями.

При времени эксплуатации от 10 до 100 ч масса установки с двигателем Стирлинга, работающим на Теплоте, получаемой от сжигания металлов, значительно меньше, чем масса энергетических систем всех других типов, в том числе установки с топливными элементами.

§21

Судовые холодильные установки, работающие по циклу Стирлинга

Двигатель Стирлинга очень легко  превратить в холодильную машину. Для этого достаточно к трубкам нагревателя, теперь уже конденсатора, подвести не теплоту, а охлаждаемую 

Среду и обеспечить вращение каШййы 6t ft6cf6Ј>0Hiief0 источника. Рабочий газ будет совершать цикл, характерный для холодильной машины: сжатие, охлаждение в холодильнике, омываемом водой, дополнительное охлаждение в регенераторе, расширение при низкой температуре с отбором теплоты от охлаждаемой среды через трубки конденсатора и дальнейшее изохор- ное перемещение газа в полость сжатия. В качестве рабочего газа используется водород или гелий. Холодопроизводительность

Рис. 42. Установка для сжижения этилена  на голландских

газовозах «Тевиот» и Тракуайр». /—холодильная машина; 2— трубопровод испарившегося этилена; 3— водяной холодильник; 4 — водяной насос; 5 — отсек управления; 6 — отсек холодильных машин; 7 — трубопровод сжиженного этилена; 4 —емкость; Р—баллоны с водородом.

 

установки определяется потребляемой мощностью и зависит от температуры  конденсации газа, температуры охлаждающей воды, среднего давления цикла и частоты вращения машины.

Холодильные машины, работающие по циклу  Стирлинга, целесообразно использовать в судовых установках, где требуется сжижение газа с охлаждением до температуры минус 100— 200° С. Они пригодны для сжижения перевозимого газа (этилена, метана) на газовозах, производства кислорода для самолетов на авианосцах, получения жидкого воздуха для замораживания ценной рыбы и крабов, производства чистого азота для изоляции взрыво- и пожароопасных грузов или жидкого азота для глубокого замораживания контейнеров на контейнеровозах.

В принципе холодильные машины, работающие по циклу Стирлинга, можно использовать и для сжижения газов с более  высокой температурой конденсации, таких, как этан (—88°С), пропилен (—47°С), пропан (—42°С), аммиак (—33°С), там, где в настоящее время применяются обычные фреоновые установки.

На рис. 42 показана установка для  сжижения этилена, примененная на голландских  газовозах «Тевиот» и «Тракуайр», вступивших в эксплуатацию в 1966 г. и  используемых для пе-

Рис. 43. Схема судовой холодильной  установки, работающей по циклу Стирлиига для получения жидкого воздуха.

 

1 — компрессор; 2 — водяной холодильник; 3 — фреоновый холодильник; 4—6 — абсорберы; 7 — теплообменник; 8 — холодильная машина; 9 — сосуд; 10— регулятор уровня; 11 — распределительный клапан; 12 — клапан; 13 — баллон.

ревозки этилена между Англией  и Нидерландами. Установка состоит из двух одноцилиндровых агрегатов, причем необходимая холодопроизводительность обеспечивается одним агрегатом. Второй агрегат составляет, в соответствии с требованиями классификационных обществ, 100%-ный резерв. Агрегатная и пост управления разделены переборкой.

Схема судовой холодильной установки  для получения жидкого воздуха дана на рис. 43. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 1 и охлаждается в водяном 2 и фреоновом 3 холодильниках, где от него отделяется водный конденсат. В одном из трех абсорберов 4, 5 или 6 воздух очищается от С0₂, и содержание водяных паров уменьшается до точки насыщения, 

Соответствующей —70° С. В теплообменнике 7 с противотоком воздух охлаждается до температуры сжижения и поступает в холодильную машину 8, работающую по циклу Стирлинга, где сжижается. Жидкий воздух-через сосуд 9, уровень в котором регулируется расширительным клапаном 11 и регулятором уровня 10, поступает в баллон 13, откуда и направляется потребителям. Испаряющийся воздух через клапан 12 поступает на теплообменник 7.

Параметры установки для получения  жидкого воздуха (фирмы Веркспур), которые включают холодильные машины, работающие по циклу Стирлинга, приведены в табл^!. 4.

Таблица 4

Параметры установки для получения сжатого воздуха

	Вид установки
Показатели	обычного исполнения	тропического исполнения
Температура воздуха и морской  воды, °С   Температура охлаждающей пресной воды, °С . . . Производительность установки жидкого воздуха. кг/ч  Давление жидкого воздуха, кгс/см2 .Г  Количество воздуха, подаваемого  в компрессор, кг/ч  Холодопроизводительность фреоновой  установки, ккал/ч ... . Потребление энергии, кВт: компрессором  фреоновой установкой   холодильной машиной   Количество теплоты для регенерации  абсорбера . .	7 15 129 1,1 157 549 9,9 0,2 112,6 4,5	32 40 119 1,1 145 2270 10,5 1,1 120,4 4,5
Итого, кВт	127,2	136,5
Расход пресной охлаждающей  воды, м3/ч	14	15

 

Параметры, приведенные в таблице, показывают, что установка обеспечивает достаточную холодопроизводительность как при нормальных атмосферных условиях, так и при плавании в тропических районах. При этом снижение количества производимого жидкого воздуха в тропиках не превышает 8%, а соответствующее увеличение мощности холодильной машины составляет около 6,5%. 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Появившись сто шестьдесят лет  назад, идея поршневого двигателя внешнего сгорания постоянно находила приверженцев, которые вносили ряд усовершенствований в создаваемые конструкции. Однако широкого развития двигатели этого типа так и не получили. Изобретенные на 80 лет позднее двигатели внутреннего сгорания очень быстро завоевали главенствующее положение во всех видах транспорта, в первую очередь в автомобильном и водном. Это объясняется тем, что дизели и карбюраторное двигатели отвечали в то время главной технической потребности общества, обеспечив создание достаточно экономичного, находящегося в постоянной готовности к действию двигателя с приемлемыми массогабаритными характеристиками.

Прошло семьдесят лет. Появились  и получили развитие типы двигателей с принципиально новыми качествами. Реактивные двигатели вытеснили поршневые машины из авиации. Газовые турбины успешно заменили дизели там, где требуется большая мощность в сочетании с малой массой и габаритом. Построены подводные лодки и мощные ледоколы с атомными энергетическими установками, имеющие практически неограниченною дальность плавания. И только в диапазоне малых мощностей двигатели внутреннего сгорания не приобрели серьезных конкурентов, поскольку предъявляемые к энергетике требования не выходили за пределы возможностей существующих дизелей и бензиновых двигателей.

65

Однако настало время, когда  достоинства двигателей внутреннего сгорания уже не являются столь бесспорными. Постоянный и все время усиливающийся энергетический кризис в странах Запада заставляет изобретать двигатели, где в каче-

5 Заказ М> 252 

стВе источника энергии использовались бы не только продукты переработки нефти. Процесс урбанизации приводит к перенаселению крупных городов, скученности населения и, как следствие, к повышенному загрязнению окружающей среды.

Загрязняют среду в первую очередь  выпускные газы; шум многочисленных двигателей различных видов транспорта заполняет улицы городов. Как меры борьбы с загрязнением атмосферы разработаны новые повышенные требования к составу выпускных газов и уровню шума, которым современные двигатели уже не удовлетворяют. Стоимость и массогабаритные показатели средств обесшумливания и очистки выпускных газов традиционных поршневых двигателей до уровня современных требований настолько велики, что внедрение их фирмами, строящими двигатели для городского транспорта, мало реально.

В наибольшей степени отвечает новым требованиям идея двигателя внешнего сгорания. Потенциальные качества много- топливности, малошумности, чистого выпуска делают создание этих двигателей особенно заманчивым, несмотря на трудности, с которыми это связано (в частности, применение жаропрочных материалов, отработка регенератора и др.)-'

Своеобразный тепловой баланс двигателя  Стирлинга — то, что наибольшее тепловыделение происходит в охлаждающую  среду — делает двигатель особенно целесообразным для водного транспорта, где в неограниченном количестве имеется охлаждающая среда — забортная вода — при постоянной для данной широты и сезона температуре. Сравнительно низкая температура охлаждающей среды (4—15° С для средних широт, 26— 30° для тропических районов) и, следовательно, большая разница температур нагревателя и холодильника позволяет обеспечить высокий к. п. д. двигателя.