Нередко меня, как автора идеи возрождения малых форм паровых машин на принципе применения в них роторного двигателя, спрашивают так: зачем возиться со старинными паровыми машинами, когда есть прекрасная тема с двигателем Стирлинга, который гораздо лучше и эффективнее архаических паровых машин.
Если я в ответ задаю такой вопрос: если двигатель Стирлинга и в самом деле так хорош, то почему же он за 200 лет своего развития так и не покорил мир и не вытеснил все другие типы моторов, то в ответ начинаются туманные рассуждения о мировом заговоре нефтяного лобби, которое и не дает развиваться такой прогрессивное технике в угоду бензиновым ДВС.
Но давайте отбросим нелепые домыслы и рационально порассуждаем на тему двигателя Стирлинга, как и сравним его с паровой машиной, и постараемся трезво и непредвзято сравнить эти две конструкции со всеми их плюсами и минусами.
Итак, сравнение: паровая машина и Двигатель Стирлинга.
Двигатель Стирлинга был создан еще в начале 19-го века. А общая концепция «двигателя горячего воздуха» бал известна еще ранее. Во второй половине 19-го века он был весьма широко распространен, но с появлением двигателей внутреннего сгорания был вытеснен из массовой техники.
Главный плюс этих двигателей- высокий КПД, а вот основной недостаток- это очень большой вес двигателя при малой мощности.
Давайте рассмотрим возможности совершенствования этих двух типов двигателей и сравним их между собой.
ПЕРВОЕ - оба типа двигателя относятся к двигателям Внешнего Сгорания. Т.е. тепло для работы такого мотора извлекается из топлива либо получается другим путем в отдельном техническом устройстве, которое оказывается отдельным от устройства, в котором расширяется нагреваемое через стенку рабочее тело. Поэтому двигатель Стирлинга, как и паровая машина, может работать и от сжигания дров или мусора, или от солнечного тепла, либо от тепла геотермальных источников.
ВТОРОЕ –главное отличие двигателя Стирлинга от паровой машины в том, что Стирлинг использует для получения полезной работы силу расширения нагреваемого газа (чаще всего воздуха), а вот паровая машина использует силу расширения газа, получаемую от кипения жидкости. Т.е. паровая машина применят в своем основном принципе фазовый переход – расширение газа (пара), получаемого от кипения жидкости. Чаще всего от кипения воды. Вот в этом- то различии (тут вопрос - что создает усилие, расширяясь при нагреве – газ или кипящая жидкость) и кроются основные отличия этих двух типов двигателей.
Теперь ответим на вопрос - почему мощность двигателей Стирлинга так мала, а паровых двигателей (паросиловых установок) так велика? Тут все очень просто - при нагреве на 300 С0 воздух увеличивает объем только в 2 раза, а при нагреве с 20 С0 до 1200 С0 в 5 раз. А вот вода при вскипании и при превращении в пар увеличивает объем в 1600 раз…. Чувствуете разницу? А если пар хорошо перегреть – то его объем еще заметно увеличиться. Теперь понимаете- почему 80% мирового производства электроэнергии производят на огромных паросиловых установках с циклопическими паровыми котлами и гигантскими паровыми турбинами.
Но у это медали с несопоставимыми мощностями есть оборотная сторона- КПД. При фазовом переходе из жидкости в пар требуется подвести к рабочему телу так называемую скрытую теплоту парообразования, которая только переводит жидкость в пар, но не участвует в создании давления. И у воды эта теплота очень велика. Так вот – потом эта теплота выделяется при конденсации пара в жидкость и выбрасывается в окружающую среду. И эта потеря тепла является главной причиной малого КПД паровых установок.
И мы видим следующую картину- двигатель Стирлинга очень хорош по КПД использования тепла топлива, но очень плох по показателям удельной мощности. А паросиловая установка, наоборот- она чемпион по огромным показателям агрегатных мощностей, но имеет очень скромные значения КПД…
На малую удельную мощность двигателя Стирлинга играет еще то, что его трудно форсировать по оборотам. Обычно двигатель Стирлинга работает под нагрузкой на оборотах в 500-700 оборотах. Выше обороты сложно развить по самой схеме необходимости перемещения рабочего тела между цилиндрами двигателя. Кроме того очень непросто устроить высокий теплоперепад между холодной и горячей зоной, которые должны находится на небольшом расстоянии друг от друга. А именно высокий теплоперепад между этими зонами и есть залог и КПД и мощности двигателя.
Конечно- современная инженерная мысль ищет выходы из этих затруднительных ситуаций. Для двигателей Стирлинга сейчас стараются применять не воздух, а гелий или водород в качестве рабочего тела (у них лучше значения удельного веса и удельного объема), и это рабочее тело предварительно сжимается до значений в 100 атм., но при этом возникает проблема создания эффективных уплотнений. Работа в этом направлении идет, но больших прорывов пока не достигнуто. За исключением применения на шведских подводных лодках, но цены на силовые установки там запредельные, и требования особенные, да и охлаждать холодные цилиндры забортной водой северных морей- очень нетрудно.
В паросиловых установках так же уже давно идут активные эксперименты с заменой в качестве рабочего тела с воды на различные органические жидкости (фреоны), у которых удельная теплота парообразования значительно ниже чем у воды, и, следовательно, возможно уменьшить потери тепла на парообразование. Но это так же очень не простой путь со своими техническими трудностями и внутренними ограничениями. Автор настоящей статьи как раз и экспериментирует с малыми паровыми роторными двигателями на кипении фреонов.
В итоге можно сказать- что сегодняшняя ситуация с тем, что паросиловые установки занимают огромное пространство в области электро- генерации, а двигатели Стирлинга чаще всего оказываются экзотическими артефактами музейных коллекций, говорит о технических реалиях сегодняшних технологий.
