Двигатели Стирлинга

Обсуждение различных технологих, избретений и всевозможных устройств.

Сообщение chimik » 09.05.2008, 11:47

Подборка статей про двигатели Стирлинга и состояние стирлинг технологии в России.
из газеты "Энергетика и промышленность России"

http://www.eprussia.ru/tech/articles/100.htm
«Анаэробные энергетические установки с двигателями Стирлинга - Новые российские технологии для отечественного подводного кораблестроения»

Заслуженный изобретатель Российской Федерации, академик Академии военных наук, д.т.н. Кириллов Н.Г.
Энергетика и промышленность России

Если в 2004 году в структуре продаж военной техники ФГУП «Рособоронэкспорта» до 60% занимало авиационное вооружение, то в 2005 году этот баланс изменился в сторону продукции для военно-морских сил. От реализации данной продукции в государственную казну поступило 3 млрд. долл. США из 5 млрд., полученных за продажу всей военной техники за рубеж. Причем более половины этой суммы пришлось на поставку и ремонт неатомных подводных лодок (НАПЛ). Никогда раньше подводный флот не занимал столь значительной доли в структуре российского военного экспорта. По оценкам ведущих специалистов этот сегмент рынка военной продукции имеет тенденции к значительному расширению. Так по прогнозу влиятельного журнала Forecast International в 2006-2014 гг. со стапелей судостроительных верфей должны сойти около 100 субмарин на общую сумму 80 млрд. долл. США. По словам заместителя генерального директора ФГУП «Рособоронэкспорт» В.Пахомова конкуренция между основными производителями неатомных лодок резко обострилась и российским производителям придется буквально бороться за потенциальных заказчиков. К сожалению, необходимо отметить, что в последнее время по ряду технологий подводного кораблестроения российские компании стали отставать от зарубежных конкурентов, прежде всего от немецких, шведских и французских производителей НАПЛ. К числу критичных технологий в первую очередь относятся создание анаэробных (воздухонезависимых) энергетических установок. Данное отставание уже в ближайшее время может привести к массовому свертыванию производства отечественных субмарин, поставляемых на экспорт, потери научной и технологической базы сотен российских предприятий военно-промышленного комплекса (ВПК). Понимая возможность такого хода развития ситуации в отечественном подводном кораблестроении, российское Правительство приняло решении о создании единого холдинга подводного кораблестроения, в структуру которого войдут ведущие организации, занимающиеся проектированием и производством НАПЛ. Задача холдинга - сохранение позиций российских производителей на мировом рынке подводных лодок. Однако для решения этой задачи необходимо объективно оценить складывающуюся ситуацию и определить основные направления развития мирового подводного кораблестроения.



Анализ мировых тенденций развития неатомных подводных лодок

Современные отечественные и зарубежные неатомные дизельные подводные лодки являются боеспособным и высокоэффективным средством вооруженной борьбы на море и представляют собой подвижные платформы, способные нести разнообразное оружие, а также совершать длительное плавание в отрыве от мест базирования. В настоящее время подводные лодки (ПЛ) российских и иностранных фирм, за исключением нескольких технологи, мало отличаются друг от друга, или во всяком случае, сопоставимы между собой по архитектуре, водоизмещению, оснащению высокоточным оружием, включая ракеты различного класса, способных поражать любые морские и наземные цели, живучести, надежности, радиоэлектронного вооружения и т.д.

Практика показывает, что боевая эффективность дизельных подводных лодок зависит от необходимости периодически подзаряжать аккумуляторные батареи. Для этого ПЛ приходится подвсплывать на перископную глубину для подзарядки аккумуляторных батарей, что снижает скрытность их действий и повышает вероятность обнаружения. Так, дизельные подводные лодки ежесуточно затрачивают 2-5 часов на подзарядку батарей. При несении дежурства в зоне патрулирования со скоростью 2-4 узла они могут находиться в подводном положении до 4 суток. Однако, при этом их аккумуляторные батареи разряжаются примерно на 80% и подзарядка потребует значительно большего времени. Кроме того, ограниченность энергетических запасов дизельных ПЛ не позволяет использовать их в арктических районах, покрытых льдами.

Проблема увеличения продолжительности подводного плавания, исключающее необходимость частого подвсплытия для зарядки аккумуляторных батарей может быть решена за счет применения анаэробных энергетических установок (ЭУ) мощностью от 100 до 300 кВт, что повышает срок автономности до 720 часов.

Анализируя современный уровень в создании анаэробных ЭУ, необходимо отметить отставание России в решении данного вопроса от передовых промышленно развитых стран. За рубежом первые анаэробные ЭУ для ПЛ появились в 80-90 годы прошлого века. В настоящее время в Германии, Швеции, Франции, Италии, США созданы, прошли испытания и начато серийное производство анаэробных энергоустановок на основе двигателей Стирлинга, парогазовых турбин и электрохимических генераторов.

ВМС Германии с 1998 года приступили к строительству четырех подводных лодок проекта «212». Проектом предусмотрено оснащение лодки гибридной энергетической установкой, включающей аккумуляторные батареи и анаэробную установку на базе топливных элементов, разработанных по технологии фирмы «Сименс». Оснащение ПЛ анаэробной установкой позволит ей находиться в подводном положении до 20 суток, что значительно повысит ее скрытность и боевые возможности. Первая ПЛ проекта «212» вошла в состав флота уже в 2005 году (Рис.1. Немецкая подводная лодка проекта 212).

Группой фирм, входящих в кораблестроительный концерн «DCN», для французской подводной лодки «Скорпен» (Agosta-90B) разработана парогенераторная анаэробная ЭУ типа ”MESMA” (Module D’Energie Sous Marine Autonome). Полномасштабный береговой опытный образец анаэробной ЭУ был пущен в эксплуатацию еще в 1998 году. По данным концерна «DCN», выходная мощность анаэробной ЭУ ”MESMA” составляет 200 кВт, что позволяет увеличить дальность подводного плавания в 3-5 раз, при средней скорости 4-5 узлов (Рис. 2. Французская подводная лодка Скорпен).

Рядом зарубежных компаний (Англия, Италия и др.) в 70-х годах прошлого века были выполнены исследования по созданию ПЛ с анаэробными установками на основе дизелей замкнутого цикла (ДЗЦ). На основе данного опыта, итальянской фирмой «Мариталиа» были созданы серии боевых подводных лодок - сверхмалых «3-GST9», малых «LWT-27», средних и больших «20-GST48». Во всех их применялись технология GST и анаэробные установки на основе дизелей замкнутого цикла. Кроме итальянцев, разработка энергоустановок на основе дизеля, работающего по замкнутому циклу, велась фирмой RDM (Голландия) совместно с фирмами CDSS (Великобритания) и TNSW (ФРГ), которые изготовили и испытали установку «SPECTRE». Её пытались внедрить в новое семейство ПЛ "Moray" и также предлагали для модернизации ПЛ класса "Walrus". На германской ПЛ U-1 проекта 205 в 1993 году проходили морские испытания этой установки. В настоящее время фирма CDSS ликвидирована, а установка «SPECTRE» продана южно-корейской фирме Hyundai.

Существуют проекты оснащения НАПЛ анаэробными установки на основе малых атомных реакторов. Специалисты канадской фирмы «Эннерджи конверин системз» разработали анаэробную энергетическую установку для дизельных ПЛ на основе малогабаритного ядерного реактора. За прототип взят маломощный исследовательский реактор на медленных нейтронах «Слоупоук». Его электрическая мощность составляет до 400 кВт, кампания – до 1000 суток при работе на полную мощность. Подводные лодки, оснащенные малогабаритными ядерными реакторами, по существу, останутся дизельными. Эти установки фирма предполагает поставлять в виде отдельной секции, полностью подготовленной к врезке в корпуса существующих ПЛ или к сборке строящихся.

Наибольших результатов в разработке анаэробных установок достиг шведский концерн Kockums Submarin Systems, построивший три ПЛ класса "Gotland" типа А19 на основе двигателей Стирлинга. На ПЛ устанавливается два двигателя V4-275R по мщностью по 75 кВт. Три подводные лодки типа «Gotland» были построены фирмой Kokums в 1992 – 1996 годах. Длина субмарин – 60,4 метра, подводное водоизмещение – 1599 тонн. Экипаж – 27 человек, в том числе 5 офицеров. Вооружение: 4 Х 533-мм и 2 Х 400-мм торпедных аппарата. Скорость полного подводного хода – 20 узлов. При использовании двигателя Стирлинга лодки могут находиться под водой без подзарядки аккумуляторных батарей до 20 суток (Рис. 3. Шведская подводная лодка Готланд).

Модификации этого двигателя используются на французской ПЛ "Saga" и модернизированной шведской ПЛ "Naecken" типа А14. При переоборудовании в прочный корпус ПЛ непосредственно за ограждением рубки была сделана вставка длиной 8м с двумя двигателями Стирлинга мощностью по 110 кВт, работающими на привод генераторов постоянного тока. Запас жидкого кислорода позволяет находиться ПЛ "Naecken" под водой без всплытия до 14 суток (Рис. 4. Отсек подводной лодки с двигателем Стирлинга).

Самый многообещающий проект шведов связан с перспективной подводной лодкой «Викинг». Это название выбрано не случайно. В реализации проекта должны участвовать еще две скандинавские страны - Норвегия и Дания. «Кокумс», норвежская компания «Конгсберг» и датская «Оденсе столшипсваерфт» образовали консорциум для практической работы над проектом. Всего планировалось построить 12 субмарин нового поколения. По мнению ведущих специалистов, эта была бы лучшая подводная лодка XXI века. На ней планировалось установить единый двигатель Стирлинга большой мощности (ориентировочно 800 кВт). Сейчас судьба «Викинга» в руках Европейской судостроительной компании, контролируемой немецкими концернами - финансово-промышленной группой «Бэбкок Борзиг» (50 процентов плюс одна акция) и холдингом «Прессаг» (25 процентов без двух акций) (Рис. 5. Шведская подводная лодка Викинг).

Россия пока не имеет реально действующих аналогов данных образцов специальной военной техники, более того еще не выработана четкая концепция создания отечественных анаэробных ЭУ. Это связано прежде всего с тем, что резкое снижение финансирования в 1990-2003 гг. привело к значительному уменьшению активности научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по данной тематике. А также тем, что Минобороны РФ не сделало окончательного выбора типа вспомогательной воздухонезависимой энергетической установки.

По мнению специалистов, уже в ближайшие 5-7 лет НАПЛ без анаэробной установки не сможет в полном объеме выполнять стоящие перед ней боевые задачи в условиях усиливающейся противолодочной борьбы. Соответственно, подводные лодки, представляемые российскими фирмами на экспорт, без анаэробных ЭУ будут не конкурентоспособны на мировом рынке морского вооружения. Все это приводит к необходимости активизации как теоретических, так и экспериментальных работ по созданию перспективных анаэробных ЭУ для отечественных подводных лодок.



Стирлинг начинает и выигрывает

Сегодняшние анаэробные установки по принципу действия значительно отличаются друг от друга. Однако из четырех существующих типов анаэробных установок основными конкурирующими технологиями являются: двигатели Стирлинга и электрохимические генераторы. Опыт эксплуатации действующих установок и интуиция ведущих ученых, позволяет в настоящее время уже твердо сказать, что чаша весов все больше склоняется в пользу анаэробных установок с двигателями Стирлинга. Об этом свидетельствует события во взаимоотношениях основных зарубежных фирм, включившихся в гонку за создание НАПЛ на основе двигателей Стирлинга.

Именно шведы, из-за которых ныне кипят нешуточные страсти, открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных ЭУ. В 1988 году головная субмарина типа "Наккен" была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10000 часов без существенных замечаний. И если «Наккен» - первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд» стали первыми в мире серийными подводными лодками с анаэробными установками, которые позволяют им находиться под водой 20 суток. Стоимость анаэробной установки с двигателем Стирлинга составляет около 45 млн. долл. США, что практически в 3 раза ниже стоимости анаэробной установки с ЭХГ немецкой компании «НDW» для проекта «212» (стоимость около 120 млн. долл. США).

Так, при модернизации двух ПЛ типа А-17 («Седермендланд» и «Вастерготланд») в лодки были врезаны 10-метровые отсеки с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга типа «Мк-3». Общая стоимость проекта составляла 73 млн. долл. США. При ходовых испытаниях в 2004 году анаэробные установки обеспечили вышеуказанным лодкам возможность подводного плавания в течении 14 суток.. Серийное производство двигателей Стирлинга типа «Мк-3» налажено в компании «Кокумс» с 2002 года (Рис. 6. Модернизация подводных лодок с врезкой анаэробных установок с двигателями Стирлинга).

Первыми, после шведов, перспективность анаэробных установок на основе двигателей Стирлинга поняли японцы. Еще в середине 90-х годов прошлого века главными подразделениями Министерства обороны Японии по строительству подводных лодок компании «Кавасаки дзюкоге» и «Мицубиси дзюкоге» по лицензиям были закуплены и запущены в серийное производство двигатели Стирлинга. Для отработки технологии применения двигателей Стирлинга в 2000-2001 годах на кораблестроительной верфи «Кобе» фирмой «Мицубиси дзюкоге» были проведены работы по оснащению ПЛ «Асасио» энергетической установкой замкнутого цикла с двигателем Стирлинга. Для этого между жилым и двигательным отсеками был врезан 9-метровый блок с анаэробной установкой на основе двигателя Стирлинга. Ходовые испытания прошли на «отлично». Поэтому уже с 2003 года японские ПЛ типа «Оясио» начали строиться с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга. Первая подлодка из этой серии «Харусио», бортовой номер 595, в 2004 году была передана ВМФ Японии. В настоящее время эти фирмами разработан проект новой ПЛ водоизмещением 3500 т, оснащенной анаэробной установкой с двигателем Стирлинга.

Японские компании не только переняли шведские технологии, но пошли дальше. Именно японцы ввели новое словосочетание «стирлинг-подводные лодки». Это означает уже в ближайшее время появятся японские ПЛ с единым двигателем Стирлинга. Дизельные подводные лодки с легкой руки японских специалистов уходят в историю. Именно для новой ПЛ с единым двигателем фирмой “Mitsubichi” создан и прошел успешные стендовые испытания двигатель Стирлинга мощностью более 600 кВт. В качестве рабочего тела двигателя используется азот.

Затем к проектам анаэробных установок на основе двигателя Стирлинга пытались подключиться французы. И, несмотря на агрессивную кампанию DCN по рекламированию энергетической установки «MESMA», французская фирма не рассчитывала на большой успех. Ввиду этого, понимая перспективность применения двигателя Стирлинга для современных ПЛ, в 1998 году представители DCN провели переговоры со шведским «Кокумсом» о создании совместного предприятия по проектированию перспективной лодки с анаэробной установкой на основе двигателя Стирлинга, которую планировалось предложить на рынок после 2010 года. Однако немцы пресекли это намерение.

В 2004 году к анаэробным ЭУ на основе двигателей Стирлинга вернулись и немцы, ранее активно продвигавшие ЭХГ компании «Сименс». Напомним, что еще в 1990 г. фирма MAN (Германия) заключила соглашение со шведскими фирмами о техническом сотрудничестве в разработке двигателей Стирлинга для перспективных НАПЛ. Очевидно, после создания анаэробной установки с ЭХС для НАПЛ проекта 212, немецкие инженеры убедились в коммерческой несостоятельности данного проекта. Сейчас немцы срочно меняют ориентацию, в смысле ЭХГ на двигатель Стирлинга. Так, в начале 2004 года Европейская комиссия одобрила слияние шведской кораблестроительной компании «Кокумс нэйвал системз» с германской верфью «Ховальдтсверке Дойче верфт» (HDW). Цель этой дорогостоящей покупки – приобретение стирлинг-технологии для немецких подводных лодок.

Более того, по некоторым данным сейчас компанией MAN для перспективных ПЛ разработан двигатель Стирлинга мощностью 700 кВт, а фирма «Моторен унд турбинен юнион» на конкурсной основе разработала проект энергетической установки для подводной лодки с двумя двигателями Стирлинга общей мощностью 2100 кВт

И наконец, последними из мировых держав, окончательный выбор по типу анаэробной установки сделали американцы. Их решение однозначное – двигатели Стирлинга. Для этого в 2005 году ВМС США взяли в лизинг шведскую подводную лодку типа «Gotland», оснащенную вспомогательной воздухонезависимой установкой Стирлинга. Как сообщает журнал Jane’s Defence Weekly, субмарина будет использоваться для отработки противолодочных операций кораблями американского флота. Лодка будет приписана к военно-морской базе Сан-Диего (штат Калифорния), где находится недавно образованное командование противолодочной войны. ВМС США в последнее время вновь стали проявлять повышенное внимание противолодочной обороне. Это объясняется стремительным ростом военно-морских сил Народно-освободительной армии Китая и прежде всего количественным увеличением и повышением качества подводного флота КНР. Подводная лодка типа «Gotland» нужна США и для «освоения» современных технологий неатомного подводного судостроения. Дело в том, что администрация США давно обещала Тайваню поставить подводные лодки, отвечающие требования сегодняшнего дня. Но до сих пор выполнить своего обещания она не смогла, поскольку американские верфи не строят дизель-электрические лодки почти 50 лет и не владеют соответствующими технологиями. В прошлом году американская корпорация Northrop Grumman и шведская фирма Kokums, построившая ПЛ типа «Gotland», подписали соглашение о сотрудничестве. Теперь в рамках этого сотрудничества американские специалисты получат возможность в деталях изучить конструкцию новейшей субмарины шведского флота. А помогут им в этом шведские моряки, которые будут нести службу на лодке вместе с американскими коллегами.

Шведские технологии получают широкое распространение не только в развитых странах. Уже говорилось, что по проекту и при участии шведской фирмы «Кокумс» в Австралии началось строительство шести лодок типа «Коллинз». Для этого в г. Аделаиде специально создана компания «Острэлиан сабмарин корпорейшн» (ASC). Недавно Таиланд заявил о намерении приобрести три подлодки типа Т-96 (экспортный вариант «Готланда», адаптированный для тропических условий). Сингапур закупил у шведских ВМС четыре модернизированных «Шеормена».

Стремление создания субмарин с АНЭУ на основе двигателей Стирлинга ведущих стран мира имеет простое объяснение. На кону – мировой рынок подводных лодок XXI века, а это без малого более 300 лодок до 2030 года. А козырными картами в борьбе за выигрыш, несомненно, станут субмарины с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга. По мнению, ведущих специалистов, данные субмарины уже в настоящее время по своим характеристикам не только приблизились к атомоходам, но по некоторым показателями даже превосходят их. Так, в ходе двух учений в Атлантике, прошедших в 2003 году, шведская подводная лодка «Халланд» с анаэробными двигателями Стирлинга «победила» в дуэльной ситуации испанскую субмарину с обычной дизель-электрической установкой, а затем и французскую атомную лодку. Она же в Средиземном море одержала верх в «схватке» с американской атомной подводной лодкой «Хьюстон». При этом необходимо отметить, что малошумный и высокоэффективный «Халланд» стоит в 4,5 раза дешевле своих атомных соперников.

Безусловно, во всех ведущих странах мира работы по совершенствованию анаэробных установок сегодня находятся в числе критически важных военно-морских технологий. В тоже время в России работы по созданию анаэробных энергоустановок не ведутся. А зря! Для всех очевидно, что в обозримом будущем Россия из-за дефицита финансовых ресурсов не будет способна строить и вводить в строй нужное количество атомных субмарин. Их вполне способны заменить значительно более дешевые подлодки с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга.



Почему выигрывают двигатели Стирлинга?

Учитывая приблизительно одинаковый уровень оружия и радиоэлектронного вооружения большинства ПЛ западноевропейских стран - основных поставщиков ПЛ на мировом рынке, конкурентоспособность перспективных ПЛ будет во многом определяться типом двигателя, примененного в анаэробной ЭУ.

От всех известных преобразователей энергии прямого цикла (дизелей, паровых и газовых турбин, карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, ЭХГ и др.), которые могут использоваться в составе анаэробных установок, двигатели Стирлинга выгодно отличаются целым рядом качеств, которые обуславливают перспективу их применения на НАПЛ:

- практическая бесшумность в работе из-за отсутствия взрывных процессов в цилиндрах двигателя и клапанного механизма газораспределения и достаточно плавного протекания рабочего цикла при относительно равномерном крутящем моменте, что напрямую влияет на акустическую скрытность ПЛ - главную составляющую обобщенного показателя - "скрытность ПЛ";

- высокий к.п.д. до 40%, что значительно превосходят лучшие образцы дизелей и карбюраторных ДВС;

- возможность выполнить двигатели Стирлинга многотопливными, т.е. использовать в качестве горючего несколько типов углеводородного топлива ( соляр, сжиженный природный газ, керосин и др.), что повысит боевую устойчивость НАПЛ;

- эксплуатация двигателей Стирлинга, работающих на традиционном топливе, не требует создания сложной береговой инфраструктуры, в отличие от ЭХГ, т.к. используется уже существующая береговая инфраструктура флота, более того, при необходимости, возможна организация базирование НАПЛ в недостаточно оборудованных пунктах, т.е. НАПЛ не будет "привязана" к существующим базам ВМФ, что существенно повысит ее мобильность и боевую устойчивость;

- моторесурс современных двигателей Стирлинга составляет от 20 до 50 тыс. часов, что от 3 до 8 раз превышает срок жизни ЭХГ (около 6 тыс. часов);

- при полном сроке эксплуатации ПЛ (25-30 лет) применение двигателей Стирлинга позволит сократить необходимое количество подводных лодок на 35-40%, по сравнению с практикой применения анаэробных установок с ЭХГ и т.д. (Рис. 7. Двигатель Стирлинга мощностью 75 кВт для анаэробных установок).

По мнению специалистов ООО «Исследовательско-инновационного центра «Стирлинг-технологии» двигатель Стирлинга является наиболее конкурентоспособным типом двигателя для анаэробных энергетических установок НАПЛ в силу указанных выше преимуществ. Более того, если сегодня рассматриваются установки увеличивающие подводную автономность до 30-45 суток на режимах экономического хода, то в недалеком будущем двигатель Стирлинга можно рассматривать как единый всережимный источник энергии, обеспечивающий как подводный, так и надводный ход во всем диапазоне нагрузок.

Приведенные здесь преимущества двигателей Стирлинга перед другими преобразователями энергии прямого цикла позволяют рекомендовать его как универсальный двигатель для всех типов НАПЛ - малого, среднего и большого водоизмещения, а также для большинства типов подводных аппаратов, использование которых возможно в интересах геологоразведки, освоения континентального шельфа, экологического мониторинга, ликвидации последствий аварий на море и т.д.

Отечественный ВМФ является одним из значительных потребителей НАПЛ с анаэробными ЭУ для использования их на Балтийском, Черном и дальневосточных морях. Общая потребность ВМФ ориентировочно составляет 10-20 единиц (по некоторым оценкам до 20-30 ед.). Весьма крупным рынком сбыта НАПЛ с двигателями Стирлинга будет международный рынок вооружений, где начиная с 2005-2030 гг. ожидается устойчивое повышение спроса на НАПЛ со стороны стран Латинской Америки, Юго-Восточной Азии и Ближнего и Среднего Востока. В целом, ориентировочная рыночная ниша составляет от 300 до 400 ПЛ, при средней стоимости ПЛ около 300-400 млн. долларов США.

Данный прогноз строится исходя из того, что в период 1972-1985 гг. Германией и СССР интенсивно строились и продавались в большом количестве немецкой НАПЛ типа 209 и советской класса «Фокстрот» (проект 641), которые поставлялись на экспорт в страны НАТО, Варшавского Договора, Индию, Китай и другие страны «третьего мира». В настоящее время НАПЛ входят в состав 30 флотов зарубежных стран. Учитывая, что срок службы этих НАПЛ оценивается около 30 лет, можно ожидать, что с 2006 года большинство вышеперечисленных стран будут приобретать новые НАПЛ вместо устаревших подводных лодок, исчерпавших свой ресурс.



Перспективы создания отечественных НАПЛ с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга

В условиях обострения конкурентной борьбы, совершенно очевидно, что необходимо срочно форсировать работы по созданию российских проектов ПЛ на основе двигателей Стирлинга. Лишь в этом случае Россия не утратит своих позиций на мировом рынке подводных лодок.

В результате многолетних теоретико-экспериментальных работ автором сформулированы основные принципы и концепция развития корабельных энергоустановок с двигателями Стирлинга, которые позволят в ближайшей перспективе обеспечение многомесячного непрерывного подводного плавания ПЛ при безусловной безопасности эксплуатации ЭУ, а также накоплен значительный научно-технический задел по основным системам и оборудованию энергоустановок с двигателями Стирлинга, включая различные варианты систем производства и хранения горючего и окислителя, в частности природного газа и кислорода. Были рассмотрены: баллонное хранение реагентов в газообразном состоянии под давлением 40 МПа; и криогенное хранение СПГ и кислорода. Были разработаны новые типы дешевых криогенных баков с пенополиуретановой теплоизоляцией и композитными оболочками. Учитывая, что ЭУ с двигателями Стирлинга относятся к классу нетрадиционных энергоустановок, использующих при работе такие компоненты, как СПГ и кислород, в ходе работ особое внимание уделялось пожаровзрывобезопасности (ПВБ), а также базовому (наземному) обеспечению ЭУ горючим и окислителем.

В настоящее время на принципиальные схемы и основные конструктивные элементы анаэробных установок получено более 40 патентов РФ. Отличительными особенностями разработанных автором принципиальных схем, по отношению к анаэробным установкам шведской компании «Kockums», являются применение сжиженного природного газа (СПГ) - «горючего ХХI века», что облегчает процесс утилизации продуктов сгорания углеводородного топлива и обеспечивает снижение следности ПЛ, снижение температуры теплоносителя контура охлаждения двигателя Стирлинга ниже температуры окружающей среды (забортной воды), что обеспечивает повышение к.п.д. двигателя Стирлинга и др.

Предлагаемые технические решения перспективных анаэробных ЭУ для ПЛ в полной мере отражает современное состояние и тенденции развития мирового научно-технического прогресса в области подводного кораблестроения, топливно-энергетического комплекса Российской Федерации и ее промышленности (Рис. 8. Проект российской подводной лодки с анаэробной установкой на основе двигателя Стирлинга ).

Выбор в качестве горючего сжиженного природного газа, определяется его уникальными физико-химическими свойствами, громадными разведанными и разработанными запасами природного газа, развитой сетью его доставки от месторождений во многие регионы страны по магистральным газопроводам и низкой ценой.

Наименование горючего СПГ Дизельное топливо Бензин Жидкий водород
Стоимость, тыс.руб/тонн (на 1.05.2006)  10 17 19-22 240


При создании и эксплуатации ПЛ с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга, работающих на криогенном топливе, одной из главных проблем является создание береговой инфраструктуры производства, хранения и заправки анаэробных установок компонентами криогенного топлива. Перспективное криогенное топливо состоит из горючего - сжиженного природного газа и окислителя - жидкого кислорода.

Если говорить о жидком кислороде, то накопленный в России опыт его производства и транспортировки позволяет без особых трудностей решить проблему его доставки к местам базирования ПЛ. В то же время в России практически отсутствует промышленное производство СПГ. Ввиду этого, наиболее остро стоит вопрос об создании береговой инфраструктуры производства сжиженного природного газа.

Проведенные автором исследования показали, что данная концепция может быть реализована за счет применения криогенных машин Стирлинга (КГМ Стирлинга). В настоящее время создан необходимый научно-технический и патентный задел, обеспечивающий решение стоящей проблемы в кратчайшие сроки.

КГМ Стирлинга относятся к ожижителям, действие которых основано только на внешнем охлаждении. Процесс ожижения природного газа идет при атмосферном давлении, без его предварительного сжатия. Это позволяет делать установки по сжижению ПГ на основе КГМ Стирлинга компактными и простыми в обслуживании. Важной особенностью применения КГМ Стирлинга для нужд ВМФ является возможность сжижения 100 % подаваемого газа низкого давления, что позволяет учитывать сложившийся способ транспортировки природного газа в России, а именно, наличие широкой сети продукционных газопроводов низкого давления (от 0,1 до 0,6 МПа) на многих объектах ВМФ: от крупных морских баз до отдельных воинских частей.

Инфраструктура производства СПГ должна строиться с учетом ввода в строй перспективных НАПЛ с анаэробными установками на борту. Учитывая экономическое положение России и потребности ВМФ РФ в дизельных ПЛ (20-30 ПЛ), можно предположить, что в будущем в течении 4-5 лет будет вводиться одна подводная лодка. Ввиду этого, за основу инфраструктуры производства СПГ для анаэробных установок с двигателями Стирлинга предлагается использовать энергетический модуль, состоящий из серийно производимых многоцилиндровых криогенных машин Стирлинга. В зависимости от потребного расхода СПГ для заправки анаэробных установок подводных лодок в состав энергетического модуля может входить от 3 до 10 КГМ Стирлинга, что обеспечит, соответственно, производительность вышеуказанного до 1000 л/ч СПГ.



Двигатель Стирлинга: состояния и себестоимость производства

В настоящее время за рубежом начато производство двигателей Стирлинга, основные характеристики которых превосходят аналогичные показатели двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных установок (ГТУ). Ниже представлены данные по некоторым современным двигателям Стирлинга.

Фирма Марка Мощность, кВт Удельная масса, кг/кВт Ресурс, ч Эффективный КПД, %
Philips 4-S-1210 265 3,8 10 000 30
STM Inc. STM 4-120 52 2,1 50 000 45
SM-3 40  50 000 40
Daimler Benz KS15D 15 3,7  37,1
Solo V-160 7,5 2,3 28 000 35
MTI Mod-III 108 3,0 20 000 36
4-95 52 4,1 20 000 41
United Stirling V4X 48 2,6 20 000 34
--"-- 1250 1,2 10 000 30


Данные характеристики обеспечили применение двигателей Стирлинга в современных зарубежных системах вооружения странах, принадлежащих к блоку НАТО. Более того, необходимо признать, что в настоящее время в вопросах применение двигателей Стирлинга для автономных энергоустановок войск зарубежных армиях накоплен большой опыт.

Объект применения Мощность, двигателя, кВт Топливо Фирма-производитель Страна
Подводные лодки:     
серии "Готланд" 100 дизельное "Комумс" Швеция
"Викинг" 600 дизельное "Комумс" Швеция
"Сага-1", "Сага-2" 250 дизельное  Франция
"Харусио" 800 дизельное "Кавасаки" Япония
Космические объекты:     
ИСЗ "Джеминай" 5 солнечная энергия "Алиссон" США
МКС "Альфа" 10 солнечная энергия "НАСА" США
ОКС "SP-100" 100 ядерное "НАСА" США


Технико-экономическая эффективность энергетических установок на основе двигателей Стирлинга

Экономическая рентабельность любой энергоустановки определяется в основном затратами на ее изготовление и эксплутационными расходами. Стоимость создаваемой продукции определяется прежде всего следующими затратами: разработка конструкции, капитальное оборудование, производственные затраты, материалы, эксплуатация и техническое обслуживание. Многие из этих составляющих зависят от массовости производства.

Опыт серийного производства двигателей Стирлинга за рубежом, показывает, что при производстве 1000 двигателей (малой мощности), стоимость одного двигателя, по сравнению с его стоимостью при индивидуальном изготовлении, может уменьшиться в 30 раз.

По оценкам специалистов ООО «ИИЦ «Стирлинг-технологии», в ближайшее время при серийном производстве двигателей Стирлинга следует ориентироваться на следующие цены: двигатели мощностью 10 кВт - около 15 тыс. долларов, мощностью 100 кВт - до 90 тыс. долларов США.

Анализ вопросов, связанных со стоимостью двигателя Стирлинга и выполненных как отечественными, так и зарубежными фирмами, позволяет сделать вывод, что этот двигатель, хотя и имеет при мелкосерийном производстве более высокую стоимость изготовления, зато значительно менее дорог в эксплуатации. Это обеспечивает низкие сроки окупаемости проектов с двигателями Стирлинга по сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания.

В 2006 году были проведены и достигнуты предварительные соглашения с ОАО «ЗиД» (г.Ковров) о серийного производства двигателей Стирлинга в России. В настоящее время проводятся необходимые маркетинговые и технико-экономические исследования эффективности массового производства двигателей Стирлинга. Предполагается, что первоначально двигатели будут производиться по лицензиям зарубежных компаний (Рис. 9. Двигатель Стирлинга предполагаемый к серийному производству).

Однако без участия и поддержки государства проблема серийного производства двигателей Стирлинга не может быть решена в полном объеме. В настоящее время в России инновационная деятельность (как особо сложный и рискованный вид хозяйственной деятельности), должна опираться на механизм государственной поддержки, особенно «на старте», с последующим переходом на обычные рыночные начала. При создании крупномасштабного производства двигателей Стирлинга в России такой механизм мог бы включать:

— прямое долевое бюджетное финансирование инновационных проектов по двигателям Стирлинга;

— косвенные меры поддержки за счет освобождения от НДС и других налогов федерального и регионального уровней продукции, выпускаемой по стирлинг- проектам, в течении первых двух лет ее выпуска, а также предоставление налогового кредита по такой продукции на последующие 2-3 года (следует учитывать, что высокие издержки освоения принципиально новой продукции и технологии нецелесообразно относить на производителя или потребителя, включая в цену);

— исключение из налогооблагаемой базы по налогу на прибыль вклада предприятия в финансирование стирлинг-проектов и др.

В дальнейшем, на этапе устойчивого продвижения энергетического оборудования на основе двигателей Стирлинга на внутреннем и внешнем рынках, восполнение капиталов для расширения производства, технического переоснащения и поддержки очередных проектов по производству новых типов оборудования, будет осуществляться за счет прибыли и продажи акций успешно освоенного производства, кредитных ресурсов коммерческих банков, а также привлечения иностранных инвесторов.

В этом случае, можно предположить, что благодаря наличия технологической база и накопленного научного потенциала в проектировании машин Стирлинга, при проведении разумной финансовой и технической политики, Россия может стать уже в ближайшем будущем безусловным мировым лидером в области производства экологически чистых и высокоэффективных двигателей Стирлинга и энергетических установок на их основе различного функц
Последний раз редактировалось chimik 09.05.2008, 11:53, всего редактировалось 1 раз.
chimik
 


Сообщение chimik » 09.05.2008, 12:00

Газета Энергетика и Промышленность России: № 5 (45) май 2004 года: Новые технологии:
http://www.eprussia.ru/epr/45/3045.htm

Стирлинг-технологии - прорыв в автономной энергетике XXI века
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 СО2, 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.


Одним из перспективных путей в решении экологических и энергетических проблем является разработка и внедрение энергопреобразующих систем на основе машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга.

Конструктивно машины Стирлинга представляют собой сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: теплообменника нагрузки (нагревателя или конденсатора), регенератора и холодильника. В качестве рабочего тела используется, как правило, гелий, который во внутреннем контуре машины совершает прямой или обратный термодинамический цикл, состоящий из двух изотерм и двух изохор.

К преимуществам машин Стирлинга следует отнести ряд принципиальных свойств, присущих только этим машинам и создающих предпосылки для их широкого использования практически во всех областях промышленности и техники:
- широкая универсальность самого термодинамического цикла, позволяющего при различном конструктивном исполнении создавать как преобразователи прямого цикла, так и обратного цикла;
- наивысшая энергетическая эффективность (теоретический КПД цикла идеальной машины Стирлинга равен КПД цикла Карно);
- высокая степень экологической чистоты как самих машин, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуатации;
- возможность применения местного сырья и нетрадиционных источников тепла: солнечной радиации, природного газа, торфа, угля и т.д.



Автономные системы электроснабжения на основе двигателей Стирлинга

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).

Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ). Поэтому в сравнении 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 и отсутствии газораспределительного механизма клапанов.

В настоящее время рядом зарубежных фирм («Philips», «STM Inc.», «Daimler Benz», «Solo», «United Stirling») начато производство двигателей, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки (ГТУ). Эти двигатели имеют эффективный КПД (до 45%), удельную массу от 3,8 до 1,2 кг/кВт, ресурс до 40 тыс. часов и мощность от 3 до 1200 кВт.

Сейчас ввиду истощения ранее разведанных запасов и удорожания органического топлива (нефти и природного газа) для России представляет значительный интерес возможность серийного производства электрогенераторов средней мощности (от 3 до 500 кВт) с модификацией двигателя Стирлинга под местное топливо. В качестве местного топлива для стирлинг-генераторов может использоваться торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Решение данного вопроса уже в ближайшее время позволит обеспечить многие регионы Российской Федерации дешевыми в эксплуатации автономными электроисточниками на местном топливе.

Возврат к биоресурсам - это разумный подход к экономике и экологии. Известно, что в лесопильном производстве России 50% древесины превращается в отходы, к которым добавляются соизмеримые по величине отходы деревообрабатывающих и мебельных предприятий. Кроме того, в сельском хозяйстве ежегодно накапливаются значительные количества отходов биомассы.

Широкое использование автономных источников энергии, работающих на местном топливе, отражает мировую тенденцию к энерго- и ресурсосбережению. Данное направление интенсивно развивается в странах, имеющих значительный запас биоресурсов (леса, торфяных болот и т.д.): Швеции, Норвегии, Дании, Финляндии, прибалтийские страны. Наиболее значительных результатов достигла Швеция. Природный газ как энергетическое топливо в шведской энергетике занимает не более 2%, в то время как биоресурсы дают больше 21% от общего объема получаемой энергии. В целом в странах Европейского Союза около 14% общей энергии получено из биоресурсов. В Индии программа децентрализации производства энергии, инициированная в 1995 году, позволит уже в ближайшее время обеспечить получение энергии из биоресурсов в количестве 44% запланированного потребления электроэнергии.

В России огромными запасами местного дешевого топлива обладают многие регионы. Так, например, Карелия располагает значительными ресурсами постоянно возобновляемой биомассы в виде древесных растений, торфа и отходов сельского хозяйства, которые могут быть использованы в энергетических целях. Запасы торфа в Карелии оценены в 2 млрд. тонн, а ресурсы древесного сырья лиственных пород около 2 млн. куб. м в год. Только за счет использования торфа и древесного сырья можно на 60% уменьшить объем привозного топлива, а это практически третья часть бюджета республики Карелия.

Высокий КПД, простота и надежность конструкции двигателя Стирлинга обуславливают эффективность его использования в солнечных энергетических установках. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух. Роль такого экологически чистого источника энергии в современном мире легко оценить. Из известных практически реализованных солнечных установок для получения электроэнергии наибольшим КПД обладают установки с параболическими зеркалами и двигателями Стирлинга. Подобная установка спроектирована по заказу Министерства научно-технических исследований и технологий ФРГ тремя немецкими и двумя испанскими фирмами. Концентратор с двумя степенями свободы отражает сфокусированные лучи, перемещаясь с учетом годовых и суточных изменений положения Солнца. Лучи направляются на теплообменник, в котором нагревается рабочее тело двигателя Стирлинга, приводящего генератор электрического тока. При световом потоке 1000 и 700 Вт/м2 вырабатывается электроэнергия 9,0 и 5,5 кВт-ч соответственно.

Практика показывает, что с повышением стоимости основных энергоносителей электроэнергию и тепло намного выгоднее получать от местных, небольших теплоэлектростанций (когенерационных установок). Когенерация - это новая технология для комбинированного производства электроэнергии и тепла на основе автономных двигателей и системы рекуперации тепла, в которой энергия охлаждающей воды и отработанных газов используется для нужд теплоснабжения потребителей.

Когенерационные установки с двигателем Стирлинга мощностью от нескольких десятков до нескольких тысяч кВт безусловно будут иметь неоспоримые преимущества перед известными автономными электростанциями с ДВС. Эффективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках по сравнению с двигателями внутреннего сгорания обусловлена особенностью его теплового баланса, выражающегося в разнице между потерями теплоты с отработанными газами и в охлаждающую воду. Для двигателя Стирлинга этот баланс составляет соответственно10% и 40%, что с учетом более высокого КПД самого двигателя позволяет создавать компактные и высокоэффективные когенерационные установки. За рубежом уже начато производство когенерационных установок с двигателями Стирлинга электрической мощностью от 5 до 40 кВт и тепловой мощностью от 12 до 120 кВт, в качестве топлива для которых используются древесная щепа, торф, биогаз и отходы сельского хозяйства (рисовая и кофейная шелуха).

Новая технология открывает широкие возможности для снабжения электроэнергией и теплом негазифицированных сельских районов, поселков, фермерских хозяйств, животноводческих ферм и птицефабрик Российской Федерации. Она поможет решить многие проблемы жилищно-коммунальных хозяйств городов. Огромная протяженность магистральных трубопроводов центрального отопления приводит к тому, что значительная часть тепловой энергии теряется при транспортировки горячей воды от ТЭЦ до потребителей. Локальные теплоэлектростанции на основе когенерационных установок с двигателями Стирлинга, установленные в микрорайонах, будут круглый год снабжать дешевыми электроэнергией, теплом и горячей водой жилые дома, столовые, школы, детские сады и т.д.

В США, Японии и Западной Европе к проектированию и созданию энергоустановок с двигателями Стирлинга активно приступили около 20 лет тому назад. Сначала работы велись в рамках военных ведомств и финансировались государством, что позволило в короткие сроки провести необходимый объем экспериментальных и опытно-конструкторских работ. Энергоустановки с двигателями Стирлинга стали широко применяться на многих образцах зарубежной военной техники. Были созданы все предпосылки для массового, серийного производства двигателей Стирлинга. Сейчас к производству энергоустановок подключились десятки электроэнергетических и двигателестроительных фирм, выпускающие двигатели Стирлинга различной мощности.



Бытовая и промышленная холодильная техника на основе холодильных машин Стирлинга умеренного холода

Использование холодильной техники является непременным элементом быта каждого человека. Трудно представить себе жизнь современных городов, развитие пищевой промышленности и торговли без холодильных агрегатов различной мощности. Умеренный холод используется для кондиционирования воздуха в бытовых и производственных помещениях. В настоящее время для бытовых и промышленных холодильных установок, а также кондиционирования воздуха используются в основном парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ).

Однако согласно Монреальскому протоколу производство хлорфторсодержащих углеводородов (ХФУ), используемых в качестве рабочих тел для ПКХМ, должно быть прекращено с 1996 года. Россия из-за финансовых трудностей и экономического спада в промышленности неоднократно заявляла о невозможности выполнения взятых на себя обязательств. Однако под давлением членов Монреальского протокола на 19-м совещании Рабочей группы сторон Монреальского протокола, проходившего в июне 1999 года в Женеве, Россия была вынуждена объявить о прекращении производства ХФУ (R11, R12 и т.д.) с 1 июня 2000 года (Постановление правительства России № 490 от 5 мая 1999 года «Об усилении мер государственного регулирования производства и потребления озоноразрушающих веществ в Российской Федерации»). В то же время необходимо отметить, что более 80% всей российской холодильной техники работает именно на ХФУ (в частности, на фреоне R12). Созданные в соответствии с постановлением Правительства РФ № 1388 от 9.12.99 г. «Об усилении мер государственного регулирования ввоза в Российскую Федерацию и вывоза из Российской Федерации озоносодержащих веществ и содержащей их продукции» стратегические запасы ХФУ практически полностью истощатся к 2006 году. Все это создает критическую ситуацию в отечественной холодильной промышленности.

Поэтому от отечественной промышленности и науки требуется создание новых высокоэффективных и экологически чистых образцов современной холодильной техники.

Одним из наиболее перспективных направлений развития холодильной техники в XXI веке является создание и применение холодильных машин Стирлинга умеренного холода. 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 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 торговли.

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.

Выпускаемые за рубежом холодильные машины Стирлинга умеренного холода по своей эффективности и экологической чистоте превосходят существующие холодильные машины, работающие по другим циклам, в том числе и ПКХМ.

Ярким примером перспективности холодильных машин Стирлинга являются намерения серийного производства с 2004 года домашних холодильников такого гиганта, как южнокорейская корпорация «LG Electronic Inc».

Результаты теоретико-экспериментальных исследований, выполненные учеными ВКА им. А. Ф. Можайского, позволяют осуществлять проектирование и создание отечественных холодильных машин Стирлинга умеренного холода с эффективностью в 1,5-2 раза выше по сравнению с применяемыми ПКХМ, при этом сократив массогабаритные характеристики на 10-30%.

Учитывая резкое сокращение российского стратегического запаса фреона R-12, через 3-4 года значительное большинство отечественных систем холодоснабжения (в том числе и объектов Министерства обороны РФ) выйдут из строя ввиду отсутствия хладагентов для холодильных машин. Для решения проблемы необходимо немедленно разработать Концепцию перевода систем холодоснабжения РФ на экологически чистые и высокоэффективные технологии производства умеренного холода.



Области применения криогенной техники на основе машин Стирлинга

Криогенные газовые машины Стирлинга (КГМ Стирлинга) получили наиболее широкое распространение в области сжижения технических газов и микрокриогеники. Особый интерес представляет собой разработка и создание новейших технологий, где особенно ощутимо могут проявиться возможности машин данного цикла. К таким технологиям относятся системы сжижения и хранения природного газа, новые циклы получения жидкого кислорода и азота, системы улавливания легких фракций углеводородов при хранении нефтепродуктов, системы долговременного хранения криогенного топлива для анаэробных систем автономного энергоснабжения специальных объектов, системы быстрого замораживания и хранения продуктов питания, системы автономного криогенного холодоснабжения и др.

Одним из наиболее перспективных направлений использования КГМ Стирлинга является создание гаражных заправочных станций сжиженного природного газа. Это связано с тем, что современные КГМ Стирлинга наиболее эффективны в области температуры 111 К, то есть именно той температуры, при которой происходит фазовый переход газообразного природного газа в жидкость. На данном температурном уровне эффективность цикла ожижения природного газа с использованием криогенной машины Стирлинга практически в 2-2,5 раза выше, чем у простых дроссельных и детандерных циклов.

По техническим решениям специалистов ВКА им. А. Ф. Можайского, в настоящее время создана опытно-промышленная серия гаражных заправочных станций СПГ на основе КГМ Стирлинга. Она имеет заключение промышленной безопасности, сертифицирована Госстандартом и допущена Госгортехнадзором РФ к применению.

Результаты эксплуатации опытно-промышленной установки на основе КГМ Стирлинга и технико-экономические расчеты показали, что стоимость 1 литра СПГ, полученного при серийном производстве заправочных станций СПГ, в 2,5 раза ниже стоимости бензина. При этом окупаемость самих станций составит от 2,5 до 3 лет.

Использование КГМ Стирлинга позволяет разработать и в кратчайшие сроки реализовать Концепцию производства и использования СПГ как экологически чистого и дешевого моторного топлива для автотранспортной техники России.

Одним из перспективных направлений применения низкотемпературных машин Стирлинга является создание установок по улавливанию легких фракций углеводородов при хранении нефтепродуктов. Естественные потери нефтепродуктов от испарения на нефтебазах и автозаправочных станциях с высокой экономичностью могут быть практически полностью устранены за счет применения конденсационных систем, обеспечивающих 100% улавливание легких фракций углеводородов за счет их охлаждения с последующей конденсацией.

Срок окупаемости разработанных установок по улавливанию испарений нефтепродуктов не превышает 2 лет, что позволяет говорить о высокой экономической рентабельности данных систем.



Децентрализованное теплоснабжение на основе тепловых насосов Стирлинга

Наиболее перспективным направлением в развитии децентрализованного теплоснабжения, предполагающего максимальное приближение источников тепла к потребителям, является использование тепловых насосов. Применение тепловых насосов даст возможность ежегодно сокращать на 10% потребление топливных ресурсов за счет использования низкопотенциального бросового тепла окружающей среды. Применение тепловых насосов, работающих по обратному циклу Стирлинга, позволит при удельных затратах в 1 кВт полезной мощности на привод насоса получить на выходе для теплоснабжения от 3 до 7 кВт тепла. Тепловые насосы Стирлинга могут применяться для теплоснабжения вновь строящихся и реконструируемых зданий и сооружений и особенно эффективны для оборудования рассредоточенных застроек, например для фермерских хозяйств, таможенных и пограничных пунктов, коттеджей и отдельных строений.

Принципиальным отличием тепловых насосов Стирлинга от парокомпрессионных, абсорбционных и других типов тепловых насосов является то обстоятельство, что рабочее тело теплового насоса Стирлинга в процессе всего цикла не меняет своего фазового состояния, что позволяет использовать в качестве бросовой низкопотенциальной теплоты даже окружающий воздух при температуре ниже минус 30 градусов Цельсия и нагревать теплоноситель системы теплоснабжения свыше 100 градусов Цельсия. К преимуществам тепловых насосов Стирлинга также относятся более высокая термодинамическая эффективность и использование экологически чистых рабочих тел.



Анаэробные системы автономного энергоснабжения специальных объектов на основе машин Стирлинга

Анаэробные системы автономного энергоснабжения (АСАЭ) являются специфической областью теплоэнергетики и предназначены для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например глубоководных аппаратов, подводных лодок, специальных фортификационных сооружений (СФС), орбитальных космических станций и т.д. В общем, структура анаэробных систем определяется соотношением двух факторов: типом преобразователя прямого цикла (ППЦ), обеспечивающего способность работы без связи с атмосферным воздухом - анаэробность, и особенностью сброса диссипированной низкопотенциальной теплоты.

Исследования, выполненные американской корпорацией «NASA», подтверждают целесообразность применения машин Стирлинга при создании анаэробных систем для орбитальных космических станций. Разработаны проекты двигателей Стирлинга с использованием солнечной и ядерной энергии, а также холодильных машин Стирлинга для термостатирования внутри станций и проведения медико-биологических исследований. Ряд проектов успешно реализован в ходе программы «Спейс шаттл».

Результаты многолетних исследований, проведенных специалистами ВКА им. А. Ф. Можайского, доказывают перспективность создания анаэробных энергохолодильных систем на основе машин Стирлинга для специальных фортификационных сооружений (СФС). Как показали исследования, применение анаэробных систем на основе машин Стирлинга позволяет снижать равнозащищенные объемы материальных сред в СФС на 40% и значительно увеличивать режим полной изоляции.

Двигатель Стирлинга является наиболее перспективным преобразователем энергии прямого цикла для использования его в анаэробных системах, поскольку обладает рядом специфических свойств, отвечающих основным требованиям, предъявляемым к АСАЭ: наивысший среди тепломеханических преобразователей КПД, отсутствие шума и вибраций, легкость и безопасность эксплуатации, небольшие массогабаритные характеристики. В качестве источников высокотемпературной теплоты для анаэробных установок с двигателями Стирлинга могут быть использованы различные виды энергии: ядерные реакции, горение органических топлив, энергия химических превращений, энергия радиоизотопных излучений, горение жидких металлов, горение водорода.

Высокие технические характеристики современных двигателей Стирлинга обеспечили их широкое применение в неатомных подводных лодках Швеции (НАПЛ «Готланд», «Викинг»), Франции (НАПЛ «Сага-1» и «Сага-2»), Японии (НАПЛ «Харусио»), а также в проектах на модернизацию орбитальных космических станций МКС «Альфа» и ОКС «SP-100».

Н. Г. Кириллов, д.т.н., Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского
chimik
 

Сообщение chimik » 11.05.2008, 12:33

Г. Уокер
ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА
Сокращенный перевод с английского Б. В. СУТУГИНА и Н. В. СУТУГИНА

МОСКВА
МАШИНОСТРОЕНИЕ 1985
В книге изложены теория, расчет и конструирование двигателей различных модификаций, работающих по циклу Стирлинга. Описаны рабочие тела, системы регулирования, испытания и применение двигателей Стирлинга, даны их характеристики. Намечены перспективы развития двигателей этого типа.
Для инженерно-технических работников различных отраслей промышленности, занимающихся вопросами исследования, проектирования и эксплуатации двигателей.
http://www.ecovillage.narod.ru/energy/walker/index.htm
Содержание:
Глава 1. Состояние развития двигателей Стирлинга
Глава 2. Теоретический анализ работы двигателей Стирлинга
Глава 3. Предварительный этап проектирования двигателей Стирлинга
Глава 4. Классификация механических систем
Глава 5. Теплообменники в двигателях Стирлинга
Глава 6. Рабочие тела двигателей Стирлинга
Глава 7. Рабочие характеристики двигателей Стирлинга
Глава 8. Системы регулирования двигателей Стирлинга
Глава 9. Свободнопоршневые двигатели Стирлинга
Глава 10. Двигатели Стирлинга фирмы "Филипс"
Глава 11. Двигатели Стирлинга фирмы "Дженерал Моторс"
Глава 12. Двигатели Стирлинга фирмы MAN/MWM
Глава 13. Двигатели Стирлинга фирмы "Юнайтед Стирлинг"
Глава 14. Двигатели Стирлинга для автомобильного транспорта
Глава 15. Двигатели Стирлинга для систем искусственного сердца
Глава 16. Двигатели Стирлинга для подводных и космических энергоустановок
Глава 17. Двигатели Стирлинга для тепловых насосов, стационарных энергосистем и системы полного энергоснабжения
Глава 18. Модели двигателей Стирлинга
chimik
 

Сообщение chimik » 20.12.2008, 00:08

СТИРЛИНГ ПО-РОССИЙСКИ

Ограниченные запасы углеводородного топлива и высокие цены на него заставляют инженеров искать замену двигателям внутреннего сгорания. Российский изобретатель предлагает простую конструкцию двигателя с внешним подводом теплоты, который рассчитан на любой вид топлива, даже на нагрев солнечными лучами. Создатель проекта двигателя Виталий Максимович Нисковских - конструктор, широко известный специалистам-металлургам не только в нашей стране, но и за рубежом. Он автор более 200 изобретений в области оборудования по разливке стали, один из основателей отечественной школы проектирования машин непрерывного литья криволинейных заготовок (МНЛЗ). Сегодня 36 таких машин, изготовленных под руководством В. М. Нисковских на Уралмаше, работают на металлургических комбинатах России, а также в Болгарии, Македонии, Пакистане, Словакии, Финляндии, Японии.

В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним подводом теплоты. Широкого распространения изобретение в то время не получило - слишком сложной была конструкция по сравнению с паровой машиной и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Однако в наши дни вновь возник острый интерес к двигателям Стирлинга. Постоянно появляется информация о новых разработках и попытках наладить их массовое производство. Например, на голландской фирме "Филипс" построили несколько модификаций двигателя Стирлинга для большегрузных автомобилей. Двигатели внешнего сгорания ставят на судах, на небольших электростанциях и ТЭЦ, а в перспективе собираются оснащать ими космические станции (там их предполагают использовать для привода электрогенераторов, поскольку двигатели способны работать даже на орбите Плутона).

Двигатели Стирлинга имеют высокий кпд, могут работать с любым источником теплоты, бесшумны, в них не расходуется рабочее тело, в качестве которого обычно применяют водород или гелий. Двигатель Стирлинга мог бы успешно использоваться на атомных подводных лодках.

В цилиндры работающего двигателя внутреннего сгорания вместе с воздухом обязательно заносятся частицы пыли, вызывающие износ трущихся поверхностей. В двигателях с внешним подводом теплоты такое исключено, поскольку они абсолютно герметичны. Кроме того, смазка не окисляется и требует замены значительно реже, чем в ДВС.

Двигатель Стирлинга, если его использовать как механизм с внешним приводом, превращается в холодильный агрегат. В 1944 году в Голландии образец такого двигателя раскрутили с помощью электромотора, и температура головки цилиндра вскоре понизилась до -190°С. Подобные устройства успешно используют для сжижения газов.

И все же сложность системы кривошипов и рычагов в поршневых двигателях Стирлинга ограничивает их применение.

Проблему можно решить, заменив поршни роторами. Основная идея изобретения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно - сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра - с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.

Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но "с обратным знаком" происходит в ветви низкого давления.

Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила F=?p(Sб-S м), где ?p - разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; Sб - рабочая площадь большого ротора; Sм - рабочая площадь малого ротора. Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.

Изображение
Детальное описание иллюстрации: Роторный двигатель внешнего сгорания состоит из двух цилиндров, соединенных двумя ветками трубопроводов - высокого и низкого давления (для наглядности роторы разнесены, хотя в действительности они находятся на одном валу). Рабочий газ движется в одну сторону, проходя последовательно нагреватель, большой цилиндр, теплообменник, холодильник и малый цилиндр.
Изобретатель Доктор технических наук В. НИСКОВСКИХ (г. Екатеринбург).
chimik
 

Сообщение BIG BAD MUTUH » 11.05.2010, 19:15

А вот пример самодельного двигателя Стирлинга в действии:




Здесь, как его собрать: http://cianetinfo.ifolder.ru/17664652

P.S. Осторожно! Англицкий язык!  :pardon:
Последний раз редактировалось BIG BAD MUTUH 11.05.2010, 19:21, всего редактировалось 1 раз.
Аватара пользователя
BIG BAD MUTUH
Друг ЦИАН
Друг ЦИАН
 
Сообщения: 4
Зарегистрирован: 11.05.2010, 19:10
Откуда: Украина, г. Хмельницкий

Сообщение GoBlin » 30.11.2012, 20:05

Специалисты американского космического агентства NASA из Национальной лаборатории Лос-Аламоса (Los Alamos National Laboratory) провели испытания уменьшенной модели нового двигателя, который в будущем может обеспечивать космические зонды электроэнергией в ходе длительных межпланетных экспедиций. Как это ни удивительно, но вместо самых современных технологий в основе изобретения лежит двигатель Стирлинга, запатентованный ещё в 1816 году. Правда, приводит механизм в движение не костёр, а небольшой ядерный реактор. Для его охлаждения была задействована ещё одна немолодая "технология тепловых труб", разработанная в Лос-Аламосе в 1963 году.
Принцип работы двигателя Стирлинга относительно прост. В нём используется замкнутый контур, в котором нагретый сжатый газ толкает поршень. Исследователи дополнили механизм системой, которая за счёт испарения и конденсации переносит тепло из одной точки в другую. Ядерный реактор, который обеспечивает бесперебойное получение электроэнергии в течение длительного времени, также отличается от тех, которые применяются сегодня. Он работает не на плутонии-238, как те модели, которые установлены на зонде Cassini и марсоходе Curiosity , а на уране. В результате исследователи получили простое, надёжное и долговечное устройство.
Изображение
Действующие зонды, которые люди запускают в самые далёкие уголки Солнечной системы, потребляют столько же энергии, сколько две лампочки в обыкновенной люстре. В условиях глубокого космоса нет возможности эффективно использовать солнечные батареи, поэтому нынешние космические разведчики сильно ограничены в функциях.
Испытанный прототип пока еще далёк от оптимальных показателей – он выдал всего 24 ватта. Но, по словам разработчиков, полноразмерная версия, оснащённая 23 килограммами ядерного топлива, будет обеспечивать мощность до 500 ватт. Новое оснащение позволит аппаратам быстрее передавать данные на Землю и обрабатывать большие объёмы информации.
Изображение
При разработке нового устройства были учтены необходимые требования безопасности. Превратить запуск такого зонда в ядерный взрыв не удастся, потому что реактор будет запускаться только после того, как аппарат окажется в космосе.
В пресс-релизе лаборатории исследователи особо отмечают, что им удалось пройти путь от появления идеи до создания действующей модели двигателя всего за полгода, потратив при этом менее миллиона долларов США.
 видео



(с)
Аватара пользователя
GoBlin
Ц.И.А.Н.
Ц.И.А.Н.
 
Сообщения: 9243
Зарегистрирован: 17.11.2007, 21:55
Откуда: -. --- / --. .... --- ..- .-.. ... / .- .-.. .-.. --- .-- . -..

Сообщение BIG BAD MUTUH » 22.04.2015, 00:14


Аватара пользователя
BIG BAD MUTUH
Друг ЦИАН
Друг ЦИАН
 
Сообщения: 4
Зарегистрирован: 11.05.2010, 19:10
Откуда: Украина, г. Хмельницкий



Вернуться в Технический центр



Кто сейчас на конференции

Зарегистрированные пользователи: Yandex [Bot]