Меню Рубрики

Криогенные установки для автомобилей

Криогенные установки для автомобилей

В результате бурного и неконтролируемого роста в мире числа автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) их количество приближается к 1 млрд., а общая мощность двигателей превышает мощность всех энергетических станций на Земле. В результате этого возникла реальная экологическая опасность, прежде всего для жителей городов, где имеются интенсивные потоки автотранспорта на небольших территориях. Отравляющие выхлопные газы ДВС и все большее сжигание в них атмосферного кислорода, ведущее к его локальному обеднению в атмосфере города, представляют реальную угрозу для здоровья населения. Поэтому, в ведущих индустриальных странах мира предпринимаются активные усилия для снижения экологической опасности автомобилей. По мнению авторов статьи [1] и ряда ученых США наиболее эффективной мерой является переход, прежде всего в городах, от автомобилей с ДВС к абсолютно экологически чистым, не требующим углеводородного топлива для заправки, не сжигающим атмосферный кислород криогенным или пневматическим автомобилям, использующим жидкий азот или сжатый воздух в качестве рабочего тела. Несколько лет назад в США были разработаны первые экспериментальные модели криогенных автомобилей (КА) с пневмодвигателями [2,3].

Статья содержит результаты разработки первого на Украине экспериментального КА, предпринятой на основании украинских патентов [4,5] для проверки принципиальных конструкторских решений и расчетных оценок. По мнению авторов подобные автомобили представляют интерес не только с точки зрения экологической безопасности, но и могут помочь решить энергетические проблемы во многих странах, поскольку существенно уменьшат расход нефтепродуктов на нужды транспорта.

1. Устройство и состав изготовленной силовой установки (СУ) криоавтомобиля

Криогенная СУ, работающая на жидком азоте (LN2), предназначена для преобразования тепловой энергии окружающей среды при газификации жидкого азота в механическую энергию, которая затем используется для приведения в движение криогенного автомобиля. В качестве рабочего тела используется молекулярный азот, который, как известно, является дешевым, негорючим и безопасным в эксплуатации газом. Жидкий азот получают из атмосферного воздуха на специальных воздухоразделительных установках с использованием электроэнергии (в среднем на производство 1 л LN2 требуется 0,4-1 кВт ч). По окончанию рабочего цикла в СУ газообразный азот возвращается в атмосферу, не нарушая равновесия окружающей среды.

Экспериментальная криогенная силовая установка [6], состоящая из криогенного бака-газификатора, воздушного теплообменника и пневмодвигателя (Рис. 1) была изготовлена сотрудниками ФТИНТ НАН Украины.

Криогенный бак-газификатор представляет собой металлический криостат, рассчитанный на рабочее давление паров азота до 12 атм, объединенный с предварительным кольцевым теплообменником [7]. Параметры газификатора следующие:

  • высота — 900 мм,
  • диаметр — 500 мм,
  • масса — 50 кг,
  • полная масса с жидким азотом — 72 кг,
  • температура газообразного азота на выходе составляет 173 К (-100 С) при давлении 12 атм.

Данный газификатор снабжен устройствами, позволяющими повышать давление паров азота над поверхностью жидкого азота до 12 атм за счет регулируемого теплообмена с окружающим воздухом и подавать парожидкостную смесь со скоростью до 20 грамм жидкого азота в секунду в основной теплообменник криоавтомобиля.

Поскольку на выходе из газификатора температура газообразного азота составляет 100 С, то перед подачей его в пневмодвигатель необходим подогрев до температуры окружающей среды. В этих целях используется наружный теплообменник, изготавливаемый из материалов с высокой теплопроводностью (медь, алюминий). При этом конструкция и размеры теплообменника должны исключать обмерзание и вписываться в общую компоновку криоавтомобиля [8,9].

Для модели криогенного автомобиля был спроектирован и изготовлен теплообменник из латунной трубки с внутренним диаметром 12 мм и длиной 16 м, которая согнута в виде двойного меандра с размерами 1000 мм x 700 мм x 100 мм, с расстоянием между трубками 10 — 12 см (рис. 1). Функционально теплообменник располагался под днищем автомобиля.

На следующем этапе подогретый газообразный азот высокого давления подается в поршневой пневмодвигатель. Пневмодвигатель для демонстрационной модели криоавтомобиля был изготовлен путем реконструкции фреонового компрессора ФАК 1,1 и обладает следующими рабочими характеристиками [10]:

  • двигатель двухцилиндровый с рядным расположением цилиндров,
  • диаметр цилиндров- 40 мм,
  • ход поршней- 45 мм,
  • объем цилиндров- 113 см3,
  • объём общей всасывающей полости головки блока цилиндров- 110 см3,
  • объём общей нагнетательной полости головки блока цилиндров- 120 см3,
  • коленчатый вал с оппозитным расположением шатунных шеек,
  • мощность- 0,7 кВт при 900 об/мин,
  • габариты- 200х200х150 мм3,
  • масса- 33 кг.

Для пуска разработанного пневмодвигателя необходимо, чтобы поршень одного из цилиндров находился в верхней мёртвой точке, что обеспечивает открытие впускного клапана и заполнение впускной полости газом высокого давления. Из газификатора газообразный и нагретый до положительных температур в воздушном теплообменнике азот поступает во впускную полость двигателя. Необходимое давление азота контролируется манометрами. Остановка пневмодвигателя осуществляется закрытием вентиля подачи жидкого азота из криогенного бака (сосуда Дьюара).

Аналогичный пуск и работа пневмодвигателя может осуществляться и от баллона со сжатым газом высокого давления с установленным на нём редуктором, поддерживающим постоянное рабочее давление.

Изменение режима работы пневмодвигателя, увеличение или уменьшение его мощности может выполняться путём изменения давления газа, при работе с баллоном с помощью редуктора, при работе с жидким азотом путём дросселирования жидкого азота вентилем впуска его в газификатор.

Испытания пневмодвигателя на специально разработанном во ФТИНТе стенде по схеме пневмодвигатель-электрогенератор показали, что он имеет мощность 0,6 0,8 кВт при давлении газа 12 атм, расходе газа на уровне 8 литров в секунду и частоте вращения около 900 об/мин [10]. Отметим, что основные эксплуатационные характеристики данного пневмодвигателя, полученные в результате экспериментов, полностью соответствуют результатам теоретических расчетов, выполненных на основе математической модели рабочего цикла поршневого пневмодвигателя, представленной в работе [11].

2. Внешний вид, устройство шасси и кузова модели криоавтомобиля

Для изготовления экспериментальной модели криогенного автомобиля в ХНАДУ были выбраны следующие конструкционные характеристики:

  1. Геометрические параметры:
    • база — 1740 мм^;
    • колея — 1270 мм^;
    • габаритная высота — 1350 мм^;
    • габаритная ширина — 1400 мм^;
    • габаритная длина — 2400 мм^;
    • дорожный просвет — 150 мм.
  2. Масса шасси и кузова (расчетная), не более — 250 кг.
  3. Полная масса (расчетная), не более — 400 кг.
  4. Число мест — 2.
  5. Несущая система — сварная трубчатая рама.
  6. Кузов — стеклопластиковый.
  7. Рулевой механизм реечного типа.
  8. Трансмиссия — четырёхступенчатая коробка передач от мотоцикла «ИЖ-Планета» и симметричный дифференциал от мотоколяски^; главная передача — цепная.
  9. Подвеска передних колес — независимая рычажно-торсионная.
  10. Подвеска задних колес — независимая пружинная.
  11. Тормозная система — двухконтурная с гидроприводом, тормозные механизмы барабанные.
  12. Шины 135-254 (500-10).

Компьютерный дизайн шасси и кузова автомобиля был выполнен в программной оболочке SolidWorks (рис. 2).

Рама рассчитывалась на прочность с использованием программного пакета Cosmos/Motion. Расчет нагрузочных режимов ходовой части проведен в среде MathCAD. Рама изготовлена из труб круглых сечений c наружным диаметром 28…48 мм. Корпус изготовлен из высокопрочных и легких авиационных углепластиков, способных обеспечить малый вес кузова при достаточной прочности.

3. Проведение испытаний криогенного автомобиля на сжатом газе

С целью экономии средств на первичные испытания КА, они были проведены на сжатом газе. В качестве аккумулятора рабочего газа высокого давления использовался стандартный баллон со сжатым азотом. Схема питающей части СУ для испытания КА на сжатом газе изображена на рис. 3.

Читайте также:  Автомобили для гта с автоматической установкой

Методика испытаний КА на сжатом газе состояла из следующих этапов.

  • Проверка надёжности затяжки всех резьбовых соединений.
  • Открытие магистрального вентиля 4.
  • Выжимание сцепления КА и включение нейтральной передачи в коробке передач.
  • Открытие на ? от максимального угла поворота рукоятки расходного вентиля.
  • Запуск двигателя резким поворотом рукой маховика на себя (против часовой стрелки).
  • Полное плавное открытие расходного вентиля.
  • Выжимание сцепления и включение первой передачи.
  • Плавный отпуск сцепления.
  • Проезд 10-15 метров, выжимание сцепления и торможение автомобиля.
  • Включение нейтральной передачи.
  • Закрытие расходного вентиля.
  • Закрытие магистрального вентиля.

В ходе экспериментальных исследований в декабре 2003 г. были выполнены четыре серии экспериментальных пусков КА. В результате этих экспериментов были установлено:

  • расход сжатого газа является таким, что баллон ёмкостью 40 л с газообразным азотом под давлением 140 атм расходовался за 10 мин при максимальной его подаче под давлением 12 атм. Это соответствует расходу рабочего газа на уровне 10 г/с.
  • максимальная скорость КА составляла 10 км/ч^;
  • вес КА вместе с водителем был равен приблизительно 300 кг^;
  • максимальная частота вращения выходного вала пневмодвигателя на холостом ходу при давлении 8 атм составила около 2000 об/мин^;
  • по косвенным показателям — КА одинаково хорошо может «тронуться с места» как с первой, так и с четвёртой передачи — можно установить, что коэффициент приемистости у пневматического двигателя гораздо выше, чем у ДВС (подробное сопоставление эксплуатационных и энергетических характеристик пневмодвигателя и ДВС представлено в работе [12]).

4. Испытания криогенного автомобиля на жидком азоте

Целью первичных испытаний в октябре 2004 г. модели криогенного автомобиля, собранного в ХНАДУ, являлась демонстрация принципиальной возможности создания экологически чистого транспортного средства с криогенной силовой установкой на жидком азоте, использующей тепловую энергию окружающей среды для получения рабочего газа высокого давления. Последовательность испытаний состояла в обеспечении режимов пуска, движения и остановки криогенного автомобиля.

Для пуска и движения криогенного автомобиля необходимо:

  • Заправить криобак жидким азотом.
  • Запустить газификатор и обеспечить давление в ресивере на уровне 10 атм. Контроль заданного давления осуществлять по манометру.
  • Открыть магистральный вентиль.
  • Выжать сцепление и включить нейтральную передачу в коробке передач.
  • Открыть на ? от максимального угла поворота рукоятки расходный вентиль.
  • Запустить двигатель, резко повернув рукой маховик на себя (против часовой стрелки).
  • Плавно полностью открыть расходный вентиль.
  • Выжать сцепление и включить первую передачу.
  • Плавно отпустить сцепление.
  • Проехать заданную дистанцию, выжать сцепление и включить следующую передачу и т. д.

Для остановки криогенного автомобиля требуется:

  • Затормозить автомобиль.
  • Включить нейтральную передачу.
  • Закрыть расходный вентиль.
  • Закрыть магистральный вентиль.
  • Закрыть вентиль газификатора.
  • Открыть вентиль сброса избыточного давления газификатора (до нормального давления окружающей атмосферы).

Длительность полной заправки криогенного бака-газификатора массой 50 кг жидким азотом массой 22 кг (27 л) из резервуара длительного хранения (рис. 4) составила 12 мин.

Максимальное давление газообразного азота на выходе из газификатора достигало 12 атм в течение 1-2 мин подогрева первичного теплообменника газификатора окружающим воздухом, имеющим температуру +10 С (рис. 5).

Во время испытаний криогенная силовая установка приводила в движение автомобиль общей массой 300 кг при рабочем давлении на входе пневмодвигателя, равном 10 атм (рис. 6). Пневмодвигатель начинал устойчиво работать при давлении большем 8 атм, максимальное давление в магистрали достигало 12 атм.

Полной заправки криобака хватило на 14 мин передвижения автомобиля по кольцевой траектории и 6 мин работы пневмодвигателя на холостом ходу (включая предпусковую подготовку газификатора).

Испытания выявили необходимость дальнейшего совершенствования разработанной конструкции криоавтомобиля:

    повышения эффективной площади поверхности воздушного теплообменника путем применения оребреных труб или установки добавочного теплообменника в целях повышения температуры газа на входе в пневмодвигатель, увеличения его КПД и для исключения его захолаживания (рис. 7)^;

  • установки добавочного ресивера на входе в пневмодвигатель для сглаживания пульсаций давления и повышения эффективной мощности пневмодвигателя^;
  • повышения герметичности соединений в вентилях и кранах газификатора, магистрали высокого давления и местах крепления манометров для предотвращения непроизводительных утечек жидкого и газообразного азота^;
  • снижения потерь на трение в ходовой части автомобиля.

В ходе дальнейших работ авторами были выполнены указанные доработки конструкции модели криогенного автомобиля. В частности, были установлены два дополнительных компактных теплообменника и ресивер емкостью 18 л на входе в пневмодвигатель (см. рис. 8). В следующей серии испытаний криогенного автомобиля, проведенных в апреле 2005 года, удалось получить существенное улучшение его динамических и эксплуатационных характеристик, а также дополнительную информацию, необходимую для оптимизации силовой установки.

Температура рабочего газа на входе в пневмодвигатель достигала температуры окружающей среды и в течение всего времени лабораторных и ездовых испытаний пневмодвигатель оставался теплым (рис. 9). Кроме того, возросли обороты двигателя до 1400 об/мин и повысилась устойчивость его работы. В результате силовая установка работала на одной заправке (22 кг жидкого азота) в течение 42 мин, а скорость криоавтомобиля достигала 6 10 км/ч. При этом, возросли приемистость и мощность силовой установки — криоавтомобиль c пневмодвигателем мощностью 0,7-0,8 кВт уверенно передвигался с водителем и тремя пассажирами на борту!

На следующем этапе актуальной представляется разработка высокоэффективного пневматического двигателя мощностью 10-20 кВт для модели городского двухместного экологически чистого криогенного или пневматического автомобиля, который мог бы передвигаться со скоростью до 60 км/ч и дальностью пробега до 100 км на одной заправке 100-150 л жидкого азота. Данная задача составляет предмет наших дальнейших исследований.

В разработке и проведении испытаний первой на Украине экспериментальной модели криогенного автомобиля принимал участие коллектив сотрудников из ХНАДУ и ФТИНТ НАН Украины (см. рис. 10).

Заключение

Успешно проведенные демонстрационные испытания модели первого на Украине криогенного автомобиля показали принципиальную правильность конструкторских решений разработчиков КА. На их основе можно переходить к разработке более мощного и скоростного криоавтомобиля для конкретного потребителя.

Учитывая возможность увеличения мощности пневмодвигателя, разрабатываемый авторами экологически чистый криогенный автомобиль, не требующий ни бензина, ни природного газа для своего движения и предназначенный для использования в городах с высокой плотностью населения, курортных зонах, аэропортах и закрытых помещениях, может быть конкурентоспособным по отношению к автомобилям на основе двигателей внутреннего сгорания, электромобилям, использующими дорогие и тяжелые электрохимические аккумуляторы, и водородным автомобилям (учитывая безопасность в эксплуатации и ожидаемую низкую себестоимость производства криоавтомобиля с пневмодвигателем).

Авторы проекта приглашают к сотрудничеству все заинтересованные научные и промышленные организации для разработки совместной перспективной модели криогенного автомобиля с улучшенными технико-эксплуатационными показателями.

источник

Криогенные машины и установки

Криогенными называются машины, в которых хотя бы один процесс рабочего цикла протекает при температурах ниже 120 К. их можно подразделить на машины, производящие холод, и на машины, обеспечивающие сжатие и транспортировку криоагентов.

К первой группе относятся машины, в которых сжатый газ или пар расширяется и производит работу. Эти машины предназначены для преобразования теплоты, отводимой от объекта охлаждения при низких температурах, в механическую энергию, которую можно передать, отводить к внешним объектам. Обязательными элементами таких машин являются устройства для восприятия механической энергии от газа: поршень, колесо турбины, вытеснитель. К рассматриваемым машинам относятся детандеры (расширительные машины) и так называемые криогенные газовые машины (КГМ).

Читайте также:  Установка программ навигации в автомобиль

Детандеры аналогичны тепловым двигателям, т.е. поршневым паровым двигателям и турбинам. Эти машины получили широкое распространение в качестве генераторов холода в воздухоразделительных установках (ВРУ), в рефрижераторных гелиевых установках (РГУ) и установках для получения жидких гелия, водорода и других газов.

В КГМ работа расширения газа в холодной полости передается через поршень на вал или вытеснителем к газу, находящемуся в тепловой полости. В КГМ теплообменные аппараты размещены в мертвых объемах поршневой машины. Простейшая КГМ эквивалентна криогенной установке, состоящей из поршневого детандера и теплообменных аппаратов, а КГС Стирлинга – криогенной установке, состоящей из поршневых компрессора и детандера и теплообменных аппаратов. В теплоиспользующих КГМ производят холод за счет подвода теплоты от высокотемпературного теплового источника. В этом случае КГМ состоит из теплового двигателя, компрессора и криогенной установки. Реализация нескольких процессов в одном агрегате позволила сократить массу и размеры установки. Поэтому КГМ получили наибольшее распространение в микрокриогенной технике. Их используют также в качестве генераторов холода в воздухоразделительных установках и гелиевых системах небольшой холодопроизводительности и для переконденсации паров при длительном хранении жидких криопродуктов. Ко второй группе криогенных машин относятся компрессоры и насосы, работающие при температурах ниже 120 К. Они отличаются от аналогичных машин, используемых при нормальных температурах, спецификой теплофизических свойств газов, жидкостей и конструкционных материалов при низких температурах, а также особенностями компоновки с другими агрегатами криогенных установок. Применение холодных компрессоров позволяет организовать каскады для отвода теплоты из зоны с наиболее низкой температурой в зону с промежуточной температурой. Насосы применяют в ожижителях газа и воздухоразделительных установках для выдачи криопродукта при повышенном давлении, а также в гелиевых рефрижераторах для прокачки переохлажденного гелия через каналы охлаждаемых устройств.

Криогенные машины являются базой, на которой создаются все современные криогенные системы.

На рубеже XIX и XX вв. зародилась криогенная техника, поэтому важно отметить то предвиденье одного из первых исследователей в этой области, которой в 1903 г. высказал мнение: «Снижение воздуха в промышленном масштабе является не только революцией в науке, но также – и притом, главным образом, революцией экономической и социальной». Эти слова принадлежат французскому исследователю Ж. Клоду, который работал в области технологии получения жидкого воздуха. Заслуга первого практического применения расширительной машины в криогенной технике принадлежит ему. Хотя идея использования процесса расширения для охлаждения высказывалась и ранее.

В 1857 г. В. Сименс представил предварительное описание патента «Изобретение относится к охлаждению через расширение воздуха или упругих жидкостей. Воздух сначала сжат в цилиндре или насосе, что возвышает его температуру: затем он охлаждается в сжатом состоянии, и его заставляют расширяться в цилиндре или какой-нибудь машине, устроенной для этой цели, что понижает его температуру».

В 1898 г. лорд Релей высказал мнение, что «если совершить расширение по способу Линде в лопастях турбины, то сколь бы ничтожна не была работа последней, это использование должно улучшить результаты в значительной степени». В этом же году Ж. Клод изготовил и начал испытания первой расширительной машины, которая состояла из небольшого вертикального пневматического мотора, тормозимого куском дерева, и теплообменника. При этом первые попытки были направлены на получение в конце процесса расширения парожидкостной смеси. Надо отметить, что они не привели автора к положительному результату, поэтому он стал использовать расширительную машину в качестве генератора холода предварительного охлаждения воздуха, находящегося под давлением. Работы по созданию первых поршневых расширительных машин были независимо проведены Пикте (1905 г.), Гейландом (Германия) и Плясом (США). Гейланд применил поршневой детандер высокого давления в установке сжижения воздуха, который на входе в машину имеет температуру, близкую к условиям окружающей среды, поэтому средняя температура в процессе расширения стала выше, что дало автору возможность использовать смазку минеральным маслом.

В установках ожижения гелия поршневой детандер был применен академиком П.Л. Капицей. В первой машине отказались не только от смазки, но и от плотно двигающегося поршня, который двигался совершенно свободно, и газ протекал через зазор между цилиндром и поршнем. Уменьшение влияния утечки достигалось за счет уменьшения времени процесса расширения по сравнению со временем возвращения поршня назад. У первого образца машины КПД был около 0,7. Основные идеи этой конструкции в дальнейшем получили развитие в конкретных инженерных решениях поршневых детандеров гелиевых установок.

В процессе совершенствования конструкции поршневых детандеров большое внимание исследователи уделяли организации газораспределения. Классический тип поршневого детандера (ПД) с двумя клапанами впуска и выпуска, управляемыми от кулачков, находящихся на коленчатом валу, долгое время оставался единственным, находившим применение в криогенной технике. Однако инерционные усилия, возникающие в механизме управления клапанами, сдерживали частоту вращения коленчатого вала. Увеличения частоты вращения можно было достигнуть, если изменить конструкцию узла газораспределения. Замена клапанного механизма окнами привела к созданию бесклапанного детандера для расширения гелия Доллом и Эдером в 1964 г. У нас этот принцип был еще ранее использован В.Б. Гридиным при проектировании и изготовлении прямоточного детандера, в котором впуск осуществлялся через клапан, а выпуск – через окна.

Другой тип газораспределения – внутренний привод клапанов, в котором запорные органы открываются системой подпружиненных толкателей, расположенных в поршне. Впервые внутренний привод клапанов применен С.Коллинзом в 1938 – 1940 гг., в отечественной практике разработаны машины с внутренним приводом клапанов в ОИЯИ (Дубна) В.А. Белушкиным и Н.Ф. Готвянским и в МЭИ А.Б. Грачевым и Н.М. Савиновой.

Электромагнитный привод клапанов был осуществлен в НПО «Криогенмаш» Е.А. Докшицким. Первоначально импульс на открытие и закрытие клапанов вырабатывался на механическом устройстве типа кулачкового. В современных ПД применяется микропроцессорное управление клапанами, которое позволяет в принципе осуществлять любую диаграмму рабочего процесса машины.

Идея применения турбин для охлаждения газа была высказана одновременно с появлением ПД, но практическое применение задержалось на 30 лет. В 1930-х годах в воздухоразделительных установках стали применяться турбодетандеры. Первые турбодетандеры создавались по типу паровых турбин с активным лопаточным аппаратом. Впервые такая криогенная турбина была применена фирмой «Линде» (Linde, Германия), в советской промышленности выпускали детандер ТД 3100-6/1. Эти машины имели КПД около 0,7.

П.Л. Капица в 1936 г. обратил внимание на тот факт, что воздух при низких температурах становится плотным и по своим свойствам приближается к жидкостям. Это навеяло его на мысль, что криогенные турбины надо строить не по образцу паровых, а по образцу гидравлических реактивных турбин. С тех пор турбодетандеры выполняются реактивными, с длинными лопатками рабочего колеса, а их КПД возрос до 0,8 – 0,85. В первые годы турбодетандерные агрегаты выполняли по схеме «турбина – редуктор – электрогенератор», что ограничивало частоту вращения вала машины. Поэтому турбодетандеры были машинами больших расходов и малых отношений давлений. Работы по созданию высокооборотных гидро- и газостатических подшипников и отказ от утилизации выделяемой энергии в генераторе, использование гидравлических или газодинамических тормозных устройств для диссипации выделяемой энергии позволили создать высокооборотные криогенные турбодетандеры, что значительно расширило область их применения, появились турбодетандеры среднего и высокого давления для ВРУ, гелиевые детандеры для криогенных установок.

Читайте также:  Установка сонар на автомобиль

В настоящее время ведутся работы по созданию парожидкостных турбодетандеров, которые могут использоваться вместо дросселя в ВРУ.

Первые КГМ были созданы фирмой «Филипс» (Philips,Голландия) в начале 1950-х годов нашего столетия. Следует заметить, что все криогенные машины создавались на базе существующих тепловых двигателей. Так, если для поршневого детандера прототипом является паровой двигатель, а для турбодетандера – газовая турбина, то для КГМ – двигатель внешнего сгорания.

Изобретение одного из видов двигателей внешнего сгорания связано с именем шотландского священника Роберта Стирлинга, в 1816 г. получившего патент на «… машину, которая производит движущую силу посредством нагретого воздуха». Заложенные в двигателе идеи намного опережали свой век и только, по существу, в наше время получают должную оценку. В основу двигателя Стирлингом положена машина, работающая по замкнутому термодинамическому регенеративному циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения объема. Таким образом, этот принцип может быть положен в основу преобразования теплоты в работу (прямой цикл), что имеет место в двигателе, так и, наоборот, — работы в теплоту (обратный цикл).

В 1834 г. Дж. Гершель предложил конструкцию Р. Стирлинга в качестве холодильной машины для приготовления льда. Однако практически эта идея была реализована только через 30 лет А. Кирком в Шотландии. В 1874 г. он описал конструкцию холодильной машины с регенерацией теплоты, которая уже к этому времени проработала 10 лет. Изобретателем был сконструирован ряд холодильных машин Стирлинга для различных потребителей. Однако на своих конструкциях А. Кирку не удалось достигнуть уровня температур, характерных для криогенной техники. Во второй половине XIX в. Появились двигатели внутреннего сгорания и аммиачные холодильные машины, которые практически вытеснили машины Стирлинга.

Фирма «Филипс» начала работы по возрождению забытых машин в конце 30-х – начале 40-х годов XX в. Программа фирмы включала создание маломощного с низким уровнем звука электрического генератора с тепловым приводом для питания радиоаппаратуры, другая группа исследователей под руководством И. Келлера предприняла серьезные усилия для промышленной разработки холодильных (криогенных) машин Стирлинга на современном уровне технологии. В 1945 г. при испытаниях конструкции двигателя мощностью в 1 л. с. в качестве холодильной машины удалось ожижить воздух. С 1953 г. фирма «Филипс» начала серийный выпуск КГМ Стирлинга. Реализация предложенных Стирлингом конструктивных мероприятий при разработке машины на современном технологическом уровне позволила фирме создать КГМ с КПД, превышающим КПД криогенных установок такой же холодопроизводительности.

В 1960-е годы ведущими криогенными фирмами США, такими как «Малакер Корпорейшн» (Malaker Corporation), «Хьюз Эйркрафт» (Hughes Aircraft), «Мартин – Мариетта» (Martine – Marietta), совместно с Северо-американским отделением фирмы «Филипс» были созданы разнообразные конструкции КГМ Стирлинга с полезной холодопроизводительностью от 1 Вт до 420 кВт. В эти же годы был начат серийный выпуск отечкственных машин (ЗИФ – 700, ЗИФ – 1000, КГМ – 9000/80 и др.). Распространение получили микрокриогенные машины Стирлинга, которые перекрывают требуемый диапазон полезных холодопроизводителей практически во всем интервале температур от 8 до 80 – 100 К. разработаны конструкции простого и двойного (1959 г.) действия с кривошипно-шатунным и ромбическим (1965 г.) приводом поршня и вытеснителя. В 1959 г. появились первые КГМ Стирлинга со свободным вытеснителем, в 1970 г. – начат серийный выпуск сплит-Стирлингов (КГС с отделенной низкотемпературной частью). Начиная с 1978 г. и до настоящего времени ведутся интенсивные проработки конструкций машин с линейным приводом и магнитным подвесом поршня и вытеснителя.

Первое описание теплоиспользующей КГМ было приведено Р. Вюлюмье в патенте США в 1918 г. однако каких-либо сведений о попытках практической реализации идеи история не сохранила. Повторное изобретение машины было сделано в 1938 г. В. Бушем, который занимался разработкой теплоиспользуемых компримирующих устройств. В 1951 г. сотрудником лаборатории в Лейденском Университете (Голландия) К. Таконисом был взят патент США на криогенную машину с тепловым приводом и регенерацией теплоты. Поэтому часто в литературе КГМ этого типа называют машинами Вюлюмье – Такониса. Благодаря высокой эффективности, «всеядности» (для работы машины необходим любой возможный источник теплоты высокого потенциала), длительному ресурсу и высокой надежности эти машины нашли применение в транспортных системах. Значительное число успешных разработок теплоиспользующих КГМ выполнено в США фирмой «Хьюз Эйркрафт» (Hughes Aircraft). С 1973 г. серийно выпускаются сплитмашины и трехступенчатые машины с полезной холодопроизводительностью 3 Вт на уровне 12 К. Ресурс непрерывной работы машин доведен до 20 000 ч.

В настоящее время конструктивные разработки в основном касаются совершенствования приводного механизма и поиска конструкционных материалов для горячих цилиндров и нагревателей. Для охлаждения приемников излучения и других устройств потребовались машины с холодопроизводительностью в десятки раз меньшей холодопроизаодительности выпускаемых в то время криогенных машин. В конце 1950-х гг. в США В. Гиффордом и Г. Мак-Магоном были запатентованы два типа КГМ с независимым источником сжатого газа.

Прототипом первой КГМ (в отечественной литературе принято название – детандер со встроенным регенератором) является забытая холодильная машина, изобретенная в Германии Сольвеем еще в 1887 г. О(на представляет собой поршневой детандер, в котором между рабочими клапанами и полостью расширения располагается регенератор. Однако несмотря на современную технологическую базу сложная конструкция тормозного устройства, трудности с подбором материалов и конструкции уплотнительных элементов поршня обусловили низкую эффективность и малую надежность первых образцов, изготовленных фирмой «А. Д. Литтл Инкорпорейтид» (A.D. Little Inc). По этим причинам машины не получили развития.

В основу второго типа КГМ положена конструкция регенеративной холодильной машины, изобретенная Д. Постлом в Австралии и запатентованная в Англии в 1873 г. Оригинал представлял собой машину двойного действия, в качестве рабочего тела, который использовался водород. Подобные холодильные машины предназначались для охлаждения мяса на морских судах.

В 1960 г. В. Гиффорд и Г. Мак-Магон, по-существу, вторично изобрели машину. Разделив узел расширения и узел сжатия, им удалось реализовать оригинальный холодильный цикл с неравновесным расширением рабочего газа и передачей энергии в окружающую среду в виде теплоты. После создания первых удачных образцов в течение года был освоен серийный выпуск КГМ Гиффорда – Мак-Магона.

Надо отметить, что в СССР также широко и глубоко занимались теорией и опытно конструкторской разработкой КГМ. Большой вклад в развитие теории КГМ был сделан группой ученых МВТУ им. Баумана (А.Д. Суслов, А.М. Архаров, Е.И. Микулин и др.). Следует отметить работы по моделированию рабочего процесса КГМ Н.М. Григоренко, А.Г. Подольского и др. Группа исследователей А.К. Грезина провела работы по исследованию и созданию эффективных КГМ для микрокриогенной техники.

источник