Что такое двигатель наружного сгорания
Двигатель внешнего сгорания
Дви́гатели вне́шнего сгора́ния — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. При этом рабочее тело, циркулирующее в двигателе, нагревается вне двигателя и за счёт этого совершает работу. Рабочим телом может служить вода и водяной пар (паровые машины и паровые турбины), либо благородные газы (двигатель Стирлинга). Выбор таких веществ обусловлен дешевизной, достаточной теплоёмкостью паровой фазы (вода), либо низкой химической агрессивностью и высоким коэффициентом степени в уравнении состояния газа (1,66 для одноатомных газов). Несмотря на высокий КПД ртутнопаровых турбин, их применение в энергетике ограничено ввиду химической токсичности ртути.
Двигатели внешнего сгорания имеют широчайшее применение в производстве электроэнергии (паровыми турбинами оборудованы как тепловые, так и атомные станции), а также в случае утилизации теплоты (двигатели Стирлинга). В области транспорта их применение в последний век значительно сократилось: с улиц исчезли паромобили, оставшиеся паровозы применяются в основном на железных дорогах в странах третьего мира [1] .
Став исторически первыми транспортными и промышленными тепловыми двигателями, двигатели внешнего сгорания сделали возможной промышленную революцию. Появившиеся в большом количестве в XIX веке паровозы и пароходы совершенно изменили мировой транспорт, а добыча угля для снабжения их топливом увеличила объёмы работ горнодобывающей промышленности.
Поскольку две трети электроэнергии в мире вырабатывается на тепловых станциях в основном с помощью паровых турбин, а выработка тепла на АЭС также осуществляется с их помощью, двигатели внешнего сгорания ещё долго будут оставаться первыми по установленной мощности в мировой энергетике [2] [3] .
Происхождение устройств
В 19 веке человечество столкнулось с проблемой, которая заключалась в том, что паровые котлы слишком часто взрывались, а также имели серьезные конструктивные недостатки, что делало их использование нежелательным. Выход был найден в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Эти устройства можно также называть «двигателями горячего воздуха», которые применялись еще в 17 веке, однако этот человек добавил к изобретению очиститель, называющийся в настоящее время регенератором. Таким образом, двигатель внешнего сгорания Стирлинга был способен сильно повысить производительность установки, так как он сохранял тепло в теплой рабочей зоне, в то время как рабочее тело охлаждалось. Из-за этого эффективность работы всей системы была значительно увеличена.
В то время изобретение использовалось достаточно широко и находилось на подъеме своей популярности, однако со временем его перестали использовать, и о нем забыли. На смену оборудованию внешнего сгорания пришли паровые установки и двигатели, но уже привычные, с внутренним сгоранием. Вновь о них вспомнили лишь в 20 веке.
Паровая турбина
Была впервые построена Героном в I веке до нашей эры; однако в таком виде являлась
скорее курьёзом . Развитию паровых турбин препятствовало отсутствие надёжных подшипников, которые могли бы выдерживать высокие скорости вращения, а отдача турбин на малых оборотах и их эффективность (КПД) резко падал, из-за чего они не получили применения. Первую промышленную турбину, имевшую частоту вращения 30 000 об/мин, разработал Пьер Лаваль. Из-за огромной скорости вращения, она имела редуктор, в несколько раз превосходивший её по размеру [8] . Позже было отмечено, что при росте мощности (и размера колеса) расчётная скорость вращения турбины падает, так что применение её в агрегатах высокой мощности упрощается. Такие турбозубчатые агрегаты получили широкое распространение, сменив паровые машины на военных кораблях (из-за меньшей массы). Но однако, низкий КПД на частичных мощностях долго препятствовал их установке на транспортных судах (приходилось применять изощрённые схемы с турбинами разной мощности для различной скорости хода). Тем не менее, улучшенная турбина Парсонса и теперь массово применяется в генерации электроэнергии на ТЭЦ и АЭС. При работе в узком диапазоне оборотов она может иметь достаточно высокий КПД, а при использовании в первой ступени газовых турбин — превзойти в суммарном КПД даже поршневой ДВС. Паровые турбины значительно легче поршневых паровых машин.
Преимущества и недостатки двигателей внешнего сгорания [ править | править код ]
Преимуществом всей линейки двигателей внешнего сгорания является возможность теоретически использовать любое топливо или теплоту, полученную любым путём (солнечные рефлекторы, ядерные реакторы, тепло распада изотопов). Однако, смотря по конструкции конкретного мотора, этот выбор более-менее ограничен. К тому же во многих случаях использование более доступного топлива из-за его особенностей снижает КПД и/или увеличивает необходимость в персонале.
Например, пароходы и паровозы, работавшие на угле, требовали для его загрузки кочегара или кочегаров, и на больших кораблях их команды с учётом свободных смен доходили до нескольких сотен человек. А из-за трудностей точного дозирования и неоднородности сгорания, КПД котлов на угле всегда уступал нефтяным, не требовавшим к тому же кочегаров.
Недостатками таких двигателей является сравнительная сложность и повышенный вес (эти факторы значительно уменьшаются самых форсированных для водотрубных котлов, работающих на жидком топливе, но такие двигатели, в свою очередь, уступают в экономичности дизелям), вызываемые необходимостью теплопередачи из камеры сгорания к рабочему телу. В случае достаточно ёмких котлов, такие двигатели требуют времени для разведения пара, либо поддержания рабочей температуры и давления с затратами на уголь. Паровые машины и турбины, использующие водяной пар, чувствительны к морозу, и требуют теплоизоляции ёмкостей с водой, заправочных трубопроводов и баков на станциях, и почти всегда имеют меньший КПД, чем классические ДВС.
