Стирлинг технологии

До недавнего времени системы автономного энергоснабжения, использовавшие традиционные тепломеханические агрегаты, удовлетворяли существующему уровню развития общества и техники. Однако обострение общенациональных, глобальных проблем, требующих срочного решения (истощение природных ресурсов; надвигающийся энергетический кризис; загрязнение окружающей среды; уменьшение озонового слоя Земли; усиление "парникового эффекта" и т.д) привело к необходимости принятия в конце XX века ряда крупных международных и российских законодательных актов в области экологии, природопользования и энергосбережения. Основные требования этих законов направлены на сокращение выбросов СО 2, прекращение производства озоноразрушающих веществ и фреона R -12, как холодильного агента для парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ), ресурсо-и энергосбережение, перевод автотранспорта на экологически чистые моторные топлива и т.д..

Огромные масштабы, удорожание производства топливно-энергетических ресурсов и растущее загрязнение окружающей среды выдвинули на первый план задачу поиска новых технологий энергопреобразования, разработки новой техники на основе высокоэффективных термодинамических циклов, использование новых видов топлива, новых рабочих тел и т.д., то есть создание таких экологически чистых энергосистем, которые бы обеспечивали удовлетворение нужд промышленности и населения при минимальных затратах материальных ресурсов /1,2/.

Наряду с другими подходами, в решении стоящих перед Российской Федерацией экологических и энергетических проблем, наиболее перспективным путем является разработка и широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга (машины Стирлинга) /3,4/.

Если говорить о машинах Стирлинга вообще - то это машины различного функционального назначения. Область их применения можно представить в виде графа, изображенного на рис.1




Рис. 1. Область применения машин Стирлинга

В настоящее время разработано большое количество компоновочных схем и конструктивного исполнения отдельных узлов машин Стирлинга. Так, только одних приводов известно более 18 типов. Однако наиболее широкое распространение получили машины Стирлинга, выполненные по a , b , g - схемам.
Конструктивно, машины Стирлинга представляют собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: теплообменника нагрузки (нагревателя или конденсатора), регенератора и холодильника. Обобщенная для всех машин Стирлинга принципиальная схема представлена на рис. 2.




Рис.2. Принципиальная схема машины Стирлинга
1 - рабочий поршень, 2 - холодильник, 3 - регенератор,
4 - теплообменник нагрузки, 5 - поршень-вытеснитель

Машины Стирлинга - это машины, работающие по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. В качестве рабочего тела используются газообразные природные вещества (гелий, азот, сухой воздух и др.).

На последних европейских и мировых форумах по современному состоянию и перспективам развития машин, работающих по циклу Стирлинга, отмечалось, что технология изготовления машин Стирлинга за рубежом полностью освоена. Решены проблемы уплотнений двигающихся деталей, выбора материалов, пайки теплообменников и т.д. Ввиду этого, наряду с традиционным применением двигателей и криогенных машин Стирлинга для военных целей (переконденсация низкокипящих жидкостей, охлаждение детекторов инфракрасного излучения, анаэробных систем автономного энергоснабжения и т.д.), перспективными направлениями считаются применение холодильных машин Стирлинга на уровне умеренного холода для хранения пищевых продуктов и систем кондиционирования воздуха, использование двигателей Стирлинга в когенерационных установках, тепловых насосах в системах децентрализованного теплоснабжени и т.д.

Подтверждением возрастающего интереса к машинам Стирлинга служит тот факт, что начиная с 1982 года каждые два года проводится международная конференция по двигателям Стирлинга, а в г. Оснабрюк (Германия) раз в два года проходит Европейский форум по двигателям Стирлинга. Кроме того ежегодно в США проходит конференция, посвященная преобразованию различных видов энергии, на которой работает секция по двигателям Стирлинга. В Великобритании создано общество по изучению двигателей Стирлинга, членами которого являются свыше 300 ученых всего мира. Обществом ежеквартально, начиная с 1996 года, издается журнал " UK Stirling News ". В США ежеквартально, начиная с 1978 года, издается журнал " Stirling Machine World ". Ежегодно издается одна-две книги, посвященные машинам Стирлинга.



Термодинамический цикл рассматриваемых машин был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. С середины 19 века словосочетание "машина Стирлинга" стало широко употребляться как в классической термодинамике, так и бытовом обиходе.

Для анализа принципиальных особенностей цикла Стирлинга рассмотрим систематику термодинамических циклов, представленную на рис.3, из которой видно, что цикл Стирлинга состоит из двух изотерм и двух изохор. Наличие двух изотерм определяет равенство термодинамической эффективности идеального цикла Стирлинга и цикла Карно. Поэтому машины, работающие по циклу Стирлинга, одни из самых высокоэффективных машин в мире.




Рис.3.Термодинамические циклы

Принципиальными особенностями цикла Стирлинга являются:

- цикл характеризуется нестационарными во времени параметрами потоков рабочего тела в каждой точке системы. Практически это означает, что машина Стирлинга, рабочие полости которой входят в один объем, неизбежно должна быть машиной с периодическим изменением объемов сжатия и расширения, т.е. поршневой машиной. В виду этого преимущественные области применения таких машин - малые и средние мощности;
- цикл предназначен только для работы с газообразным рабочим телом. Чтобы размеры машин при заданной мощности были приемлемы, а внешний и внутренний теплообмен рабочего тела в этих условиях проходил достаточно эффективно, давление в машине должно быть существенно выше атмосферного. По тем же причинам рабочее тело должно иметь малую вязкость, возможно большую теплопроводность и теплоемкость, мало зависящую от давления (иначе возникнут большие собственные потери в регенераторе вследствие различных тепловых эквивалентов теплообменивающихся потоков);
- в цикле регенерация тепла позволяет работать в большом интервале температур (верхняя и нижняя температуры цикла) при относительно малых отношениях давлений сжатия и расширения;
- для реализации цикла в качестве рабочих тел могут быть использованы водород, гелий, азот, воздух и другие газообразные вещества. Использование в качестве рабочего тела газов с высоким значением газовой постоянной ( R), например водорода или гелия, позволяет получать в машинах Стирлинга эксергетический к.п.д. свыше 50%;
- универсальность цикла, на его основе возможно создание как преобразователей прямого цикла, так и обратного цикла.

На рис. 4 приведены p , V и T , S - диаграммы циклов двигателя Стирлинга и холодильной машины Стирлинга. Цикл Стирлинга в преобразователе прямого цикла состоит из четырех процессов: 1-2 - процесс изотермического сжатия, теплота от рабочего тела с температурой Т сж передается окружающей среде; 2-3 - процесс при постоянном объеме, теплота от насадки регенератора передается рабочему телу; 3-4 - процесс изотермического расширения, теплота от внешнего источника с температурой Т max передается рабочему телу; 4-1 - процесс при постоянном объеме, теплота от рабочего тела передается насадке регенератора.




Рис.4.Диаграмма цикла Стирлинга

Цикл Стирлинга в преобразователе обратного цикла также состоит из четырех процессов. Различие с двигателем состоит в том, что температура внешнего источника, от которого подводится теплота в процессе расширения, ниже, чем температура рабочей жидкости, отводящей теплоту в процессе сжатия. В случае холодильной машины, теплота отводится из холодной полости в процессе расширения 3 '-4'. Работа сжатия (площадь 1-2-5-6) как для двигателя, так и для холодильной машины одна и та же. Работа расширения (площадь 4'-3'-5-6) в холодильной машине меньше работы сжатия, и для реализации данного цикла необходима энергия, подводимая от внешнего источника, эквивалентная площади 1-2-3'-4'. При переходе из полости сжатия в полость расширения в процессе 2-3' температура рабочего тела уменьшается, в а процессе 4'-1 соответственно увеличивается.

К достоинствам машин, работающих по циклу Стирлинга, следует отнести высокую степень экологической чистоты как самих рабочих тел машин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуатации, а также энергетическую эффективность


В мировых обзорах по энергопреобразующей технике, двигатель Стирлинга рассматривается как двигатель, обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки. Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на различных топливах, большой ресурс, сравнимые размеры и масса, хорошие характеристики крутящегося момента - все эти параметры дают возможность машинам Стирлинга в ближайшее время значительно потеснить двигатели внутреннего сгорания (ДВС) /5/.

Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ). В связи с этим, по сравнению с ДВС, в двигателях Стирлинга процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает более равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.

Необходимо отметить, что рядом зарубежных фирм начато производство двигателей, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки (ГТУ). В таблице 1 представлены основные технические характеристики зарубежных двигателей Стирлинга.

Таблица 1



Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной, поскольку его теоретическая эффективность равна максимальной эффективности тепловых машин (эффективность цикла Карно). Он работает за счет теплового расширения газа, за которым следует сжатие газа после его охлаждения. Двигатель Стирлинга содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между "холодной" частью (обычно находящейся при температуре окружающей среды) и "горячей" частью, которая обычно нагревается за счет сжигания любого вида топлива или других источников теплоты. Нагрев производится снаружи, поэтому двигатель Стирлинга относят к двигателям внешнего сгорания.

К началу 90-х годов прошлого столетия работы по созданию двигателей Стирлинга проводились такими известными фирмами, как 'Philips" (Нидерланды), "General Motors Co", "Ford Motor Co", "NASA Lewis Research Center", "Los Alamos National Laboratory" (США), "MAN-MBW" (Германия), "Mitsubishi Electric Corp.", "Toshiba Corp." (Япония). В течение последнего десятилетия к работам по созданию двигателей Стирлинга приступили также в "Daimler Benz" и "Cummins Power Generation" (СPG) и ряд других крупных фирм.


Одним из наиболее перспективных направлений развития холодильной техники в XXI веке является создание и применение холодильных машин Стирлинга умеренного холода (ХМС УХ). Теоретически эффективность холодильных машин Стирлинга умеренного холода равна эффективности идеальной холодильной машины, работающей по циклу Карно. В качестве рабочих тел для машин Стирлинга обратного цикла могут применяться вещества, полностью отвечающие требованиям Венской конвенции по охране озонового слоя и Монреальского протокола по озоноразрушающим веществам. Поэтому широкое внедрение холодильных машин Стирлинга умеренного холода уже в ближайшее время позволило бы в комплексе "эффективность + экологическая чистота" решить проблему создания соответствующих современным требованиям систем холодоснабжения. Современный диапазон производства данных машин колеблется от 1 до 100 кВт, что обеспечивает их использование в системах холодоснабжения во многих областях промышленности и торговле /6, 7/.

Анализ современной зарубежной научно-технической информации позволяет утверждать, что в промышленно развитых странах в последние 10 лет начались интенсивные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по подготовке к серийному производству холодильных машин Стирлинга. Уже сейчас на зарубежные рынки начало поступать новое холодильное оборудование с использованием машин данного цикла.

Преимуществами ХМС УХ являются: высокое значение холодильного коэффициента, широкий диапазон использования в области умеренного холода (от 0 до -80 0С) и экологическая чистота рабочих тел (гелий, водород, азот, воздух). За рубежом уже начато серийное производство холодильных машин Стирлинга умеренного холода по своей эффективности и экологической чистоте превосходящих существующие холодильные машины, работающие по другим циклам, в том числе и парокомпрессионные холодильные машины. В таблице 2 представлены некоторые характеристики холодильных машин Стирлинга умеренного холода зарубежных фирм.




Таблица 2


Ярким примером перспективности холодильных машин Стирлинга является начало серийного производства с 2004 года таким гигантом, как южнокорейская корпорация "LG Electronic Inc" домашних холодильников на основе холодильных машин Стирлинга с линейным приводом.


Первой машиной, реализующий цикл Стирлинга, был двигатель, созданной самим Робертом Стирлингом в 1816 году. Ввиду отсутствия расчетов, он имел значительные массогабаритные характеристики и низкий эффективный к.п.д. Из-за сложности процессов в машинах Стирлинга, связанных с непрерывным движением поршней, первый упрощенный математический аппарат был разработан только в 1871 году пражским профессором Г. Шмидтом. Поскольку предложенный Шмидтом метод расчета основывался на идеальной модели цикла Стирлинга, он позволял создавать двигатели и холодильные машины Стирлинга с эксергетическим к.п.д. до 15%. И лишь только к 1953 году, благодаря успехам голландской фирмы "Филипс", были созданы первые высокоэффективные двигатели и криогенные машины Стирлинга, превосходящие по своим характеристикам традиционные преобразователи энергии.

На рис. 5 в виде диаграммы представлены основные проблемы, возникающие при создании высокоэффективных машин Стирлинга и сдерживающие до сих пор их широкое применение в различных областях техники.




Рис. 5

Прежде всего это создание адекватной математической модели проектируемой машины Стирлинга и соответствующего метода расчета. Сложность расчета проектируемой машины определяется сложностью реализации термодинамического цикла Стирлинга в реальных машинах, что обусловлено нестационарностью тепломассового обмена во внутреннем контуре, ввиду непрерывности движения поршней. Отсутствие адекватных математических моделей и методов расчета являются главными причинами неудач ряда известных зарубежных фирм и отечественных предприятий, пытавшихся без серьезной научной проработки, только за счет приблизительного расчета и экспериментальных доводок решить вопрос создания как двигателей, так и холодильных машин Стирлинга. В настоящее время сколько фирм, столько и методов расчета машин Стирлинга, при этом сами методы расчета являются коммерческой тайной.

Зарубежный опыт создания современных высокоэффективных машин Стирлинга показывает, что без точного математического моделирования рабочих процессов и оптимального конструирования основных узлов, доводка проектируемых машин превращается в многолетние изнурительные экспериментальные исследования. В настоящее время западные фирмы, ведущие разработки в данной области, в основном опираются на теоретические и экспериментальные исследования своих научных подразделений, технических университетов или создают технопарки по разработки отдельных типов машин Стирлинга.

Далее, это сложность конструктивного исполнения отдельных узлов, проблемы в области уплотнений, регулирования мощности и т.д. Особенности конструктивного исполнения обуславливаются применяемыми рабочими телами. Так, например, гелий, обладает сверхтекучестью, что определяет повышенные требования к уплотняющим элементам рабочий поршней, штока вытеснителя и т.д. Формирование облика перспективных, предполагаемых к производству машин Стирлинга невозможно без разработки новых технических решений основных узлов.

Третья проблема - это высокий уровень технологии производства. Данная проблема связана с необходимостью применения в машинах Стирлинга жаростойких сплавов и цветных металлов, их сварки и пайки. Отдельный вопрос изготовление регенератора и насадки для него, для обеспечения с одной стороны высокой теплоемкости, а другой стороны, низкого гидравлического сопротивления. Все это требует высокой квалификации рабочего персонала и современного технологического оборудования.

В заключении, говоря о проблемах создания машин Стирлинга, необходимо сделать два вывода:

- высокая наукоемкость данной области техники является основным сдерживающим фактором широкого распространения машин, работающих по циклу Стирлинга;
- успех в создании конкурентоспособных на мировом рынке машин Стирлинга может быть достигнут только как результат синтеза высокого уровня научных исследований, тщательной конструктивной проработки основных узлов машин Стирлинга и передовой технологии производства.


Перспективность производства и широкого применения машин Стирлинга в различных областях отечественной экономики обусловлена наличием в России более чем 30-ти летнего технологического опыта, накопленного при производстве криогенных газовых машин Стирлинга. Фирмами-производителями холодильного оборудования с криогенными машинами Стирлинга являются ОАО "Машиностроительный завод "Арсенал", НПО "Гелиймаш" и др.

Однако, необходимо отметить, что выпускаемые этими предприятиями КГМ Стирлинга, не являются отечественными разработками, а представляют собой копии криогенных машин, ранее выпускаемых голландскими фирмами "N.V. Philips Gloeilampenfabrieken" ("Филипс") и "Werkspoor". В России неоднократно предпринимались попытки создания отечественных двигателей и холодильных машин Стирлинга, однако они, из-за отсутствия адекватных методов расчета и трудностей финансового порядка, серьезного успеха не имели. Так, на АОЗТ "АРСМАШ" с 1991 по 1994 год проводились работы по исследованию перспективных холодильных установок для авторефрижераторной техники. Проведенный анализ показал, что в качестве наиболее перспективного холодильного агрегата может выступать только холодильная машина Стирлинга. В виду этого были созданы опытные образцы холодильных машин производительностью до 5 кВт, работающих в диапазоне от 285 К до 230 К, которые по эффективности и массогабаритным характеристикам соответствовали современным ПКХМ для авторефрижераторной техники. Была разработана проектно-сметная и конструкторская документация на ее серийное изготовление. Однако в связи с общим спадом в экономике и финансовыми трудностями заказчика работы по данному проекту были остановлены.

В 1996 году на ОАО "Машиностроительный завод "АРСЕНАЛ", в рамках договора с ГП ГОКБ "Прожектор" были начаты работы по теме "Исследование и разработка электроагрегатов на базе многотопливных двигателей Стирлинга". Указанная тема входила под шифром "Стирлинг" в комплексную НИР "Передвижка", включенную постановлением Правительства РФ от 02.03.96 N 227-15 в государственный заказ. Из-за отсутствия реального финансирования из федерального бюджета данные работы не были завершены в полном объеме.

В 1997-1998 гг., на ОАО "МЗ"АРСЕНАЛ" был разработан пакет документов на заявку о включении в Федеральную программу реструктуризации и конверсии оборонных предприятий темы: "Разработка и создание производства экологически чистых двигателей с внешним подводом теплоты, рефрижераторов, тепловых насосов и анаэробных энергоустановок на основе цикла Стирлинга". Проект не предусматривал дополнительных строительных работ, поскольку выпуск новой продукции планировалось осуществить за счет загрузки высвободившихся после конверсии производственных мощностей завода. При успешной реализации вышеуказанного проекта планировалось к 2004 году наладить мелкосерийное производство двигателей и холодильных машин Стирлинга производительностью до 100 кВт. Однако, данные работы из-за отсутствия финансирования пока не реализованы.

В настоящее время сложилась достаточно парадоксальная ситуация, которая заключается в том, что Россия обладает многолетним опытом и технологией производства машин Стирлинга, но не имеет опыта собственных разработок, серийно выпускаемых машин Стирлинга.

Данная ситуация обусловлена в основном тем обстоятельством, что в последние 15 лет в России из-за экономического кризиса сложилась крайне неблагоприятная инновационная атмосфера, во многих российских научных организациях, в которых ранее велись работы по тематике создания машин Стирлинга, например, МВТУ им. Баумана, ВНИИГТ, ОмПИ (ТУ), СПбГТУ (Политехнический университет), ЦНИДИ и др., исследования из-за финансовых трудностей были полностью прекращены. В то же время за рубежом именно за последние 15 лет были достигнуты наиболее существенные результаты в создании высокоэффективных машин Стирлинга.


Необходимо отметить, что создание высокоэффективных машин Стирлинга может быть только результатом высокого уровня научных исследований. Без точного математического моделирования доводка проектируемых машин превращается в многолетние экспериментальные исследования.

Учитывая перспективность машин Стирлинга, специалистами ООО "Инновационно-исследовательский центр "Стирлинг-технологии" в последние годы был проведен ряд теоретико-экспериментальных исследований, в результате которых была разработана новая методология проектирования и расчета машин данного цикла. Данная методология включает в себя несколько "ноу-хау", среди которых:
- уникальный метод двухуровневой многопараметрической оптимизации машин Стирлинга;
- структурный синтез машин Стирлинга на основе метода функционально-эксергетического анализа сложных тепломеханических устройств;
- оптимальное конструирование на основе ТРИЗ.

Разработанная методология проектирования и расчета машин Стирлинга позволяет сократить сроки создания новых типов машин Стирлинга до 1,5-2 лет, с эффективностью, соответствующей лучшим мировым аналогам /8, 9/.

Проведенные патентные исследования, с ретроспективой по основным странам от 30 до 40 лет, позволили сформировать банк данных из 1600 ревалентных документов, отражающих инновационную деятельность по созданию машин Стирлинга более чем 116-ти ведущих фирм мира. Патентный массив систематизирован по функциональному признаку, что обеспечивает возможность проведения морфологического анализа и патентного прогнозирования на начальном этапе проектирования новых машин Стирлинга.

На основании предложенных технических решений, специалистами ООО "Инновационно-исследовательский центр "Стирлинг-технологии" только за 1994-2003 году было подано более 150 заявок на предполагаемые изобретения. Особое внимание уделялось проработке отдельных узлов машин Стирлинга и их конструктивного исполнения, а также, созданию новых принципиальных схем установок различного функционального назначения. Практика показала, что оптимальное конструирование позволит в значительной степени сократить суммарную удельную стоимость машин при их опытном изготовлении и серийном производстве. Предлагаемые технические решения, с учетом того, что машины Стирлинга менее дороги в эксплуатации, позволяют повысить их экономическую рентабельность по сравнению традиционными преобразователями энергии.

Дальнейшее широкое распространение машин Стирлинга будет связано с развитием теории проектирования многоцилиндровых машин данного цикла, что позволит создавать двигатели и холодильные машины производительностью до 1000 кВт.

Применение экологически чистых и высокоэффективных машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга, в системах автономного энергоснабжения является наиболее перспективным направлением в решении проблем экономии топливных ресурсов и снижения загрязнения окружающей среды.