Motore a combustione esterna: tipi, principio di funzionamento, caratteristiche

I motori a combustione esterna venivano usati quando le persone avevano bisogno di una fonte di energia potente ed economica. In precedenza, venivano utilizzati impianti a vapore, tuttavia erano esplosivi, poiché utilizzavano vapore caldo sotto pressione. All'inizio del XIX secolo furono sostituiti da dispositivi con combustione esterna e, dopo alcuni decenni, furono inventati i dispositivi già noti con la combustione interna.

Origine del dispositivo

Nel diciannovesimo secolo, l'umanità si trovò di fronte a un problema, che consisteva nel fatto che le caldaie a vapore esplodevano troppo spesso e presentavano anche gravi difetti di progettazione che rendevano indesiderabile il loro uso. L'uscita fu trovata nel 1816 dal prete scozzese Robert Stirling. Questi dispositivi possono anche essere chiamati "motori ad aria calda", che sono stati utilizzati già nel 17 ° secolo, ma questa persona ha aggiunto un depuratore all'invenzione, che attualmente è chiamato un rigeneratore. Pertanto, il motore a combustione esterna Stirling è stato in grado di aumentare notevolmente la produttività dell'impianto, poiché ha mantenuto il calore in un'area di lavoro calda mentre il fluido di lavoro si è raffreddato. Per questo motivo, l'efficienza dell'intero sistema è stata notevolmente aumentata.

A quel tempo, l'invenzione era ampiamente utilizzata e stava aumentando la sua popolarità, ma nel tempo non fu più utilizzata e fu dimenticata. Per sostituire l'equipaggiamento della combustione esterna sono arrivati ​​impianti e motori a vapore, ma già familiari, con la combustione interna. Ancora una volta sono stati ricordati solo nel 20 ° secolo.

Operazione di installazione

Il principio di funzionamento del motore a combustione esterna è che alterna costantemente due stadi: riscaldando e raffreddando il fluido di lavoro in uno spazio ristretto e ottenendo energia. Questa energia deriva dal fatto che il volume del fluido di lavoro cambia costantemente.

Molto spesso, la sostanza di lavoro in tali dispositivi diventa aria, ma è anche possibile utilizzare elio o idrogeno. Mentre l'invenzione era in fase di sviluppo, sostanze come il biossido di azoto, i freon e il propano-butano liquefatto furono usati come esperimenti. In alcuni campioni è stata provata anche l'acqua ordinaria. Va notato che il motore a combustione esterna, che è stato lanciato con l'acqua come sostanza attiva, si distingue per il fatto che ha una densità di potenza sufficientemente elevata, alta pressione ed è piuttosto compatto.

Il primo tipo di motore. "Alpha"

Il primo modello che è stato utilizzato era Stirling Alpha. La particolarità del suo design è che ha due pistoni di potenza situati in diversi cilindri in cilindri separati. Uno di loro aveva una temperatura piuttosto alta e faceva caldo, l'altro invece era freddo. All'interno dello scambiatore di calore ad alta temperatura c'era un vapore caldo del cilindro-pistone. Il vapore freddo era all'interno di uno scambiatore di calore a bassa temperatura.

Vantaggi principali motore termico la combustione esterna era il fatto che avevano potenza e volume elevati. Tuttavia, la temperatura del vapore caldo era troppo alta. Per questo motivo ci sono state alcune difficoltà tecniche nel processo di creazione di tali invenzioni. Il rigeneratore di questo dispositivo si trova tra i tubi di collegamento caldi e freddi.

Il secondo campione "Beta"

Il secondo modello era il modello "Beta" Stirling. La principale differenza strutturale era che c'era solo un cilindro. Una delle sue estremità era una coppia bollente, e l'altra estremità rimaneva fredda. All'interno di questo cilindro è stato spostato il pistone, dal quale è possibile rimuovere il potere. Inoltre all'interno c'era un dislocatore, che era responsabile della modifica del volume dell'area di lavoro a caldo. Questa apparecchiatura utilizzava il gas pompato da un freddo a una zona calda attraverso un rigeneratore. Questo tipo di motore a combustione esterna possedeva un rigeneratore sotto forma di uno scambiatore di calore esterno, oppure era combinato con un dislocatore a pistone.

L'ultimo modello. "Gamma"

L'ultima variante di questo motore è stata la Stirling Gamma. Questo tipo si distingueva non solo per la presenza del pistone, ma anche per il dislocatore, ma anche per il fatto che comprendeva già due cilindri. Come nel primo caso, uno di loro era freddo ed era usato per il decollo. Ma il secondo cilindro, come nel caso precedente, era freddo da una parte e caldo dall'altra. Qui si è spostato il dislocatore. Il motore a pistone esterno aveva anche un rigeneratore, che poteva essere di due tipi. Nel primo caso, era esterno e interconnesso come parti strutturali come la zona calda del cilindro freddo, così come con il primo cilindro. Il secondo tipo è un rigeneratore interno. Se questa opzione è stata utilizzata, allora faceva parte del design del dislocatore.

L'uso di Stirling è giustificato se è necessario un convertitore di energia termica semplice e piccolo. Può anche essere usato se la differenza di temperatura non è abbastanza grande da utilizzare turbine a gas oa vapore. Vale la pena notare che oggi tali campioni sono stati usati più spesso. Ad esempio, i modelli stand-alone sono utilizzati per i turisti che sono in grado di lavorare da un bruciatore a gas.

Dispositivi di applicazione ora

Sembrerebbe che una tale vecchia invenzione non possa essere usata oggi, tuttavia non lo è. La NASA ha ordinato un motore a combustione esterna di tipo Stirling, ma le fonti di calore nucleari e radioisotopiche dovrebbero essere utilizzate come sostanza di lavoro. Inoltre, può anche essere utilizzato con successo per i seguenti scopi:

• L'utilizzo di un tale modello di un motore per il pompaggio di fluido è molto più semplice di una normale pompa. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che il liquido pompato stesso può essere usato come un pistone. Inoltre, raffredderà il fluido di lavoro. Ad esempio, questo tipo di "pompa" può essere utilizzato per pompare acqua nei canali di irrigazione utilizzando il calore solare.
• Alcuni produttori di frigoriferi tendono ad installare tali dispositivi. Il costo di produzione può essere ridotto e l'aria normale può essere utilizzata come refrigerante.
• Se si combina un motore a combustione esterna di questo tipo con una pompa di calore, è possibile ottimizzare il funzionamento della rete di calore nella casa.
• Abbastanza con successo Stirling usato nei sottomarini della Marina svedese. Il fatto è che il motore funziona con ossigeno liquido, che viene successivamente utilizzato per la respirazione. Per un sottomarino è molto importante. Inoltre, tali apparecchiature hanno un livello di rumore abbastanza basso. Naturalmente, l'unità è abbastanza grande e richiede un raffreddamento, ma questi due fattori sono irrilevanti quando si tratta di un sottomarino.

Vantaggi dell'uso del motore

Se durante la progettazione e il montaggio si applicano metodi moderni, sarà possibile aumentare l'efficienza del motore a combustione esterna al 70%. L'uso di tali campioni è accompagnato dalle seguenti qualità positive:

• Sorprendentemente, tuttavia, la coppia in una tale invenzione è praticamente indipendente dalla velocità di rotazione dell'albero a gomiti.
• In questa unità di potenza non ci sono elementi come il sistema di accensione e il sistema di valvole. Inoltre non c'è albero a camme.
• Abbastanza convenientemente che per tutto il periodo di utilizzo non sarà necessario regolare e regolare l'attrezzatura.
• Questi modelli di motore non sono in grado di "stallo". Il design più semplice del dispositivo consente di utilizzarlo per un periodo piuttosto lungo in modalità completamente autonoma.
• Quasi tutto può essere utilizzato come fonte di energia, partendo dalla legna da ardere e finendo con il combustibile all'uranio.
• Naturalmente, nel motore a combustione esterna il processo di combustione delle sostanze viene effettuato all'esterno. Ciò contribuisce al fatto che il combustibile è completamente bruciato e la quantità di emissioni tossiche è ridotta al minimo.

carenze

Naturalmente, qualsiasi invenzione non è senza difetti. Se parliamo degli aspetti negativi di tali motori, essi sono i seguenti:

1. A causa del fatto che la combustione viene effettuata al di fuori del motore, il calore prodotto viene rimosso attraverso le pareti del radiatore. Questo costringe ad aumentare le dimensioni del dispositivo.
2. Il consumo di materiali. Per creare un modello compatto ed efficiente del motore Stirling, è necessario avere acciaio resistente al calore di alta qualità in grado di sopportare alte pressioni e alte temperature. Inoltre, deve esserci una bassa conduttività termica.
3. Come lubrificante, dovrai acquistare uno strumento speciale, dato che la solita cokeria è ad alte temperature che si raggiungono nel motore.
4. Per ottenere una densità di potenza sufficientemente elevata, è necessario utilizzare l'idrogeno o l'elio come sostanza di lavoro.

Idrogeno ed elio come combustibile

Ovviamente è necessario ottenere una potenza elevata, ma è necessario capire che l'uso dell'idrogeno o dell'elio è piuttosto pericoloso. L'idrogeno, per esempio, è di per sé abbastanza esplosivo, e ad alte temperature crea composti chiamati idrati di metallo. Questo accade quando l'idrogeno si dissolve nel metallo. In altre parole, può distruggere il cilindro dall'interno.

Inoltre, sia l'idrogeno che l'elio sono sostanze volatili caratterizzate da un elevato potere penetrante. In poche parole, si infiltrano facilmente in quasi tutti i sigilli. Una perdita di una sostanza significa una perdita di pressione di esercizio.

Motore rotativo a combustione esterna

Il cuore di una macchina del genere è una macchina rotativa ad espansione. Per i motori con un tipo di combustione esterno, questo elemento è presentato sotto forma di un cilindro cavo, che è coperto su entrambi i lati con coperture. Di per sé, il rotore ha l'aspetto di una ruota montata su un albero. Ha anche un certo numero di piastre retraibili a forma di U. Per la loro promozione utilizza uno speciale dispositivo scorrevole.

Motore a scoppio esterno Lukyanov

Yury Lukianov è ricercatore presso il Politecnico di Pskov. Da tempo è impegnato nello sviluppo di nuovi modelli di motori. Lo scienziato cercò di assicurarsi che i nuovi modelli mancassero di elementi come il cambio, l'albero a camme e il tubo di scarico. Il principale svantaggio dei dispositivi Stirling era che erano troppo grandi. Era proprio questa deficienza che lo scienziato era in grado di eliminare a causa del fatto che le pale venivano sostituite con pistoni. Ciò ha contribuito a ridurre le dimensioni dell'intera struttura diverse volte. Alcuni dicono che è possibile creare un motore a combustione esterna con le proprie mani.