Камилла
я могу сочетать несочетаемое
Редкая удача совместить работу и любимое занятие
Камилла  Андреева
Все записи
текст

Эпоха Стирлинга

"ММ" №4/115 2015, с. 8
Рассуждая о закате эпохи двигателя внутреннего сгорания, мы привыкли говорить об электромоторах и гибридах, которые придут на смену ДВС. Но есть у него еще одна альтернатива, изобретенная намного раньше и незаслуженно забытая – это двигатель Стирлинга. Наступит ли эпоха его возрождения? Об этом издатель «ММ» Александр Новиков расспросил изобретателя, академика, главного эксперта инновационного центра «Энергоэффективные и энергосберегающие техника и технологии» Николая Кириллова.

SunCatcher - "Ловец Солнца": параболическая антенна, состоящая из зеркал, со встроенным солнечным двигателем Стирлинга. Фото:

Впервые промышленный двигатель Стирлинга был сделан в 1834 году. Паровые машины появились чуть раньше, но широкого распространения не получили – автомобилестроение только начинало развиваться. И двигатель Стирлинга появился как один из вариантов паровых машин. То и другое – двигатели с внешним подводом теплоты. В паровой машине мы подводим тепловую энергию, вода испаряется, образуется пар и более высокое давление, которое срабатывает на каком-то рабочем органе, и вы получаете механическую энергию. В двигателе Стирлинга рабочее тело – газ. Это может быть азот, а в те времена – и просто воздух. Так вот, первый промышленный двигатель Стирлинга был достаточно мощный – 50 лошадиных сил, это даже по нынешним меркам прилично! И начиная с этого времени он серийно производился в европейских странах. Были разные модификации и мощности. Самая большая мощность – около мегаватта – размещалась на одном из пароходов; это была одна из разновидностей двигателя Стирлинга – двигатель Эриксона. Тогда не было технологии расчета двигателей, поэтому все, что выпускалось серийно, имело невысокий КПД, максимум 10–12 %. Естественно, при таких КПД, с учетом использования воздуха в качестве рабочего тела, для получения приемлемой мощности на валу должны были создаваться большие диаметры и большие ходы поршней. Машины получались не очень эффективные, но громоздкие. Топливо могло быть любое – уголь, древесина, – так что они были надежны в работе и просты в эксплуатации. Но это были мастодонты! Большущие машины, которые применялись в различных отраслях. 



НК: Расчет был. Но в 1894–1895 годах появился первый дизель, который по массогабаритным характеристикам и эффективности оказался лучше. А к началу 1900-х появились нефтепродукты и двигатель внутреннего сгорания, которые за 10 лет выдавили двигатели Стирлинга с рынка. Но у тех было неоспоримое преимущество – возможность использования любого топлива, актуальная для солнечных стран Африки или Южной Америки. И эту особенность с успехом использовала голландская компания «Филипс», которая поставляла энергобытовое оборудование в эти страны. В 1957 году на рынке было порядка 30 модификаций двигателя Стирлинга. В это же время созданы так называемые криогенные поршневые машины Стирлинга. 


НК: Первый двигатель, который я привез в Россию в 2006-м, был 10 КВт. Эффективный КПД – 26 %, причем он мог работать с падением от номинальной мощности почти в пять раз, а эффективность уменьшалась только на 2 %. Это говорит об уникальных свойствах: ни один ДВС не может работать в таких пределах. В двигателях Стирлинга отрегулированы как подача топлива, так и внутренний контур по количеству рабочего тела. Надо отдать должное компании «Филипс», которая создала высокоэффективные машины с КПД 30–35 %. 
Еще двигатели Стирлинга имеют такое преимущество, как высокий ресурс. У первой машины, которую я привез в Россию, он составлял 60 тысяч часов работы. Если учесть, что в год тратится 8 тысяч часов, то это примерно 8 лет работы, при этом расхода масла почти нет: всего пол-литра на 15 тысяч часов, и оно никогда не попадает во внутренний контур – соответственно, на выходе нет всех этих «прелестей», которые есть в дизельном топливе или в карбюраторах. Двигатели Стирлинга экологически чистые, потому что процесс горения идет в отдельной топке, его можно регулировать. 


Некоторые компании пытались создавать двигатели Стирлинга, например, на «Арсенале» был создан двигатель для МКС. Но, как правило, эти установки не доводилось до конца, так как финансирование прекращалось. Да и специалистов, способных посчитать контур двигателя, было мало. Причем это свойственно не только российскому рынку. Когда мы привезли в Россию несколько немецких машин, то одну разобрали – посмотреть, как работает европейская инженерная мысль. Парадоксально, но там было много совершенно нелогичных технических решений. Я задавал вопросы на мировых форумах по двигателям Стирлинга, ответ был всегда один: «Мы эту часть взяли у американцев, не считая ее». А американцы взяли в свое время у голландцев, и вот идет такая перекладка.


НК: До сих пор. Я недавно ездил в компанию «Стирлинг Криогенис», которая сейчас серийно производит криогенные машины Стирлинга. И мне показали большой проект – Т-образную криогенную машину для ксеноновой ванны. Ее сделала немецкая компания, а проверить, правильно или нет, никто не может – нет подходящих специалистов. Я нашел в установке несколько ошибок. Предложил переговорить с инженерами, на что мне сказали: «А это не наше, это нам делали в университете в Эссене. Мы платим деньги, но не понимаем, как они делают». Я убедился, что у них тоже нет науки. Когда они отпочковывались от «Филипса», то просто поставили в серийное производство удачные образцы, закрыв научно-исследовательские подразделения. И превратились в простых производителей. Конечно, у них есть определенный навык, инженерная сноровка, но пересчитать, скажем, тот же двигатель или криогенную машину они не могут. И это характерно практически для всех компаний.














НК: Я дважды был в Китае, консультировал одну компанию. В первый раз я к ним приехал где-то в 2008-м; тогда они купили американские двигатели двойного действия, разобрали их и созвали инженерный состав из разных стран, чтобы узнать теорию расчетов, какую литературу использовать. Две недели я там провел и, уезжая, подумал: «Ну, ребята, вам еще очень далеко до нас!» Но когда я к ним приехал через три года, меня поразило, что у них уже был свой, китайский двигатель. 
И буквально в течение года я узнал, что китайцы сделали подводную лодку со Стирлингом. Они поступили просто: взяли нашу «Варшавянку», 636-й проект, разрезали на две части, вставили девятиметровый отсек с двигателем Стирлинга, соединили, и получилась новая лодка «Юань»! Я не удивлюсь, если скоро у них появятся двигатели Стирлинга в серийном производстве. Во всяком случае, шведская компания уже заключила контракты на их производство именно в Китае – для снижения себестоимости.

НК: И не только в этом направлении. Двигатели Стирлинга идут у нас со скрипом. Я с нашими подводниками разговаривал лет пять-шесть назад, когда «Ладу» сдавали и позиционировали ее как лодку четвертого поколения. А лодка четвертого поколения – это лодка с анаэробной установкой, которой и в помине не было на «Ладе». Да, какие-то модификации, вооружение более совершенное, но по тактике применения, если у вас нет анаэробной установки, вы через два дня всплываете, вытаскиваете перископ и начинаете дышать, чтобы зарядить аккумуляторы и батареи. Такая подлодка теряет главную функцию – она становится заметной. А лодка четвертого поколения, скажем, у шведов, работает 20 суток под водой на двигателях Стирлинга. И в качестве окислителя там не воздух, а емкости с жидким кислородом. Шведы нырнули в районе боевого патрулирования, все дизели отключили и идут малым ходом, и вся энергетика у них работает на двигателе Стирлинга. Нет шума, нет следности и нет перископа. И альтернативы Стирлингу здесь нет. 



НК: Да. А сделать можем все. Совсем недавно, 5 ноября, мы испытали на Волге новое судно-газоход на сжиженном природном газе, СПГ. В последнее время его активно начали применять. Это наш природный газ – метан, который мы поставляем в Европу. Американские и европейские машиностроители переходят на производство автомобилей на СПГ. От Аляски и до Невады все грузовики сейчас ходят на нем. Если сравнивать с дизельным топливом, в эквиваленте получается почти в два раза дешевле. 

НК: А это ответ на тот же самый вопрос – почему у нас не делаются Стирлинги. Первые грузовики на СПГ были сделаны еще в 1985 году, и парадокс в том, что эту технологию разработали мы, а сейчас ее развивают зарубежные страны. Крупные компании-моторостроители – «Вольво», «Мерседес» – уже выпускают грузовики на сжиженном природном газе. Порядка семи тысяч китайских автобусиков «Ютонг» тоже на нем. В Китае три тысячи заправок СПГ, и китайцы же собираются построить у нас завод грузовиков на сжиженном природном газе. Экономия – раз, экология – два. Есть жесткие законодательные требования, под которые предприятия начинают подстраиваться, их заставляют заниматься инновациями. 
В Испании, например, есть проект использования двухкиловаттных двигателей Стирлинга в квартирах. У них нет централизованного теплоснабжения, и возникает проблема: утром и вечером электричества не хватает, а днем – избыток. Для устранения проблемы нужно построить несколько крупных ТЭЦ на территории, и предлагают вместо этого поставить в домах двигатели Стирлинга. Те два киловатта, которых не хватает утром, люди будут производить у себя дома, а электроэнергию, которая будет вырабатываться в их отсутствие, государство выкупит. Все равно в каждом доме есть газовый котел для горячего водоснабжения – так давайте сжигать газ в двигателе Стирлинга. Это только одно из направлений. И я считаю, что это неплохо. Не шумит, не гремит… Холодильник работает громче, чем Стирлинг.





Впервые промышленный двигатель Стирлинга был сделан в 1834 году. Паровые машины появились чуть раньше, но широкого распространения не получили – автомобилестроение только начинало развиваться. И двигатель Стирлинга появился как один из вариантов паровых машин. То и другое – двигатели с внешним подводом теплоты. В паровой машине мы подводим тепловую энергию, вода испаряется, образуется пар и более высокое давление, которое срабатывает на каком-то рабочем органе, и вы получаете механическую энергию. В двигателе Стирлинга рабочее тело – газ. Это может быть азот, а в те времена – и просто воздух. Так вот, первый промышленный двигатель Стирлинга был достаточно мощный – 50 лошадиных сил, это даже по нынешним меркам прилично! И начиная с этого времени он серийно производился в европейских странах. Были разные модификации и мощности. Самая большая мощность – около мегаватта – размещалась на одном из пароходов; это была одна из разновидностей двигателя Стирлинга – двигатель Эриксона. Тогда не было технологии расчета двигателей, поэтому все, что выпускалось серийно, имело невысокий КПД, максимум 10–12 %. Естественно, при таких КПД, с учетом использования воздуха в качестве рабочего тела, для получения приемлемой мощности на валу должны были создаваться большие диаметры и большие ходы поршней. Машины получались не очень эффективные, но громоздкие. Топливо могло быть любое – уголь, древесина, – так что они были надежны в работе и просты в эксплуатации. Но это были мастодонты! Большущие машины, которые применялись в различных отраслях. 



НК: Расчет был. Но в 1894–1895 годах появился первый дизель, который по массогабаритным характеристикам и эффективности оказался лучше. А к началу 1900-х появились нефтепродукты и двигатель внутреннего сгорания, которые за 10 лет выдавили двигатели Стирлинга с рынка. Но у тех было неоспоримое преимущество – возможность использования любого топлива, актуальная для солнечных стран Африки или Южной Америки. И эту особенность с успехом использовала голландская компания «Филипс», которая поставляла энергобытовое оборудование в эти страны. В 1957 году на рынке было порядка 30 модификаций двигателя Стирлинга. В это же время созданы так называемые криогенные поршневые машины Стирлинга. 


НК: Первый двигатель, который я привез в Россию в 2006-м, был 10 КВт. Эффективный КПД – 26 %, причем он мог работать с падением от номинальной мощности почти в пять раз, а эффективность уменьшалась только на 2 %. Это говорит об уникальных свойствах: ни один ДВС не может работать в таких пределах. В двигателях Стирлинга отрегулированы как подача топлива, так и внутренний контур по количеству рабочего тела. Надо отдать должное компании «Филипс», которая создала высокоэффективные машины с КПД 30–35 %. 
Еще двигатели Стирлинга имеют такое преимущество, как высокий ресурс. У первой машины, которую я привез в Россию, он составлял 60 тысяч часов работы. Если учесть, что в год тратится 8 тысяч часов, то это примерно 8 лет работы, при этом расхода масла почти нет: всего пол-литра на 15 тысяч часов, и оно никогда не попадает во внутренний контур – соответственно, на выходе нет всех этих «прелестей», которые есть в дизельном топливе или в карбюраторах. Двигатели Стирлинга экологически чистые, потому что процесс горения идет в отдельной топке, его можно регулировать. 


Некоторые компании пытались создавать двигатели Стирлинга, например, на «Арсенале» был создан двигатель для МКС. Но, как правило, эти установки не доводилось до конца, так как финансирование прекращалось. Да и специалистов, способных посчитать контур двигателя, было мало. Причем это свойственно не только российскому рынку. Когда мы привезли в Россию несколько немецких машин, то одну разобрали – посмотреть, как работает европейская инженерная мысль. Парадоксально, но там было много совершенно нелогичных технических решений. Я задавал вопросы на мировых форумах по двигателям Стирлинга, ответ был всегда один: «Мы эту часть взяли у американцев, не считая ее». А американцы взяли в свое время у голландцев, и вот идет такая перекладка.


НК: До сих пор. Я недавно ездил в компанию «Стирлинг Криогенис», которая сейчас серийно производит криогенные машины Стирлинга. И мне показали большой проект – Т-образную криогенную машину для ксеноновой ванны. Ее сделала немецкая компания, а проверить, правильно или нет, никто не может – нет подходящих специалистов. Я нашел в установке несколько ошибок. Предложил переговорить с инженерами, на что мне сказали: «А это не наше, это нам делали в университете в Эссене. Мы платим деньги, но не понимаем, как они делают». Я убедился, что у них тоже нет науки. Когда они отпочковывались от «Филипса», то просто поставили в серийное производство удачные образцы, закрыв научно-исследовательские подразделения. И превратились в простых производителей. Конечно, у них есть определенный навык, инженерная сноровка, но пересчитать, скажем, тот же двигатель или криогенную машину они не могут. И это характерно практически для всех компаний.














НК: Я дважды был в Китае, консультировал одну компанию. В первый раз я к ним приехал где-то в 2008-м; тогда они купили американские двигатели двойного действия, разобрали их и созвали инженерный состав из разных стран, чтобы узнать теорию расчетов, какую литературу использовать. Две недели я там провел и, уезжая, подумал: «Ну, ребята, вам еще очень далеко до нас!» Но когда я к ним приехал через три года, меня поразило, что у них уже был свой, китайский двигатель. 
И буквально в течение года я узнал, что китайцы сделали подводную лодку со Стирлингом. Они поступили просто: взяли нашу «Варшавянку», 636-й проект, разрезали на две части, вставили девятиметровый отсек с двигателем Стирлинга, соединили, и получилась новая лодка «Юань»! Я не удивлюсь, если скоро у них появятся двигатели Стирлинга в серийном производстве. Во всяком случае, шведская компания уже заключила контракты на их производство именно в Китае – для снижения себестоимости.

НК: И не только в этом направлении. Двигатели Стирлинга идут у нас со скрипом. Я с нашими подводниками разговаривал лет пять-шесть назад, когда «Ладу» сдавали и позиционировали ее как лодку четвертого поколения. А лодка четвертого поколения – это лодка с анаэробной установкой, которой и в помине не было на «Ладе». Да, какие-то модификации, вооружение более совершенное, но по тактике применения, если у вас нет анаэробной установки, вы через два дня всплываете, вытаскиваете перископ и начинаете дышать, чтобы зарядить аккумуляторы и батареи. Такая подлодка теряет главную функцию – она становится заметной. А лодка четвертого поколения, скажем, у шведов, работает 20 суток под водой на двигателях Стирлинга. И в качестве окислителя там не воздух, а емкости с жидким кислородом. Шведы нырнули в районе боевого патрулирования, все дизели отключили и идут малым ходом, и вся энергетика у них работает на двигателе Стирлинга. Нет шума, нет следности и нет перископа. И альтернативы Стирлингу здесь нет. 



НК: Да. А сделать можем все. Совсем недавно, 5 ноября, мы испытали на Волге новое судно-газоход на сжиженном природном газе, СПГ. В последнее время его активно начали применять. Это наш природный газ – метан, который мы поставляем в Европу. Американские и европейские машиностроители переходят на производство автомобилей на СПГ. От Аляски и до Невады все грузовики сейчас ходят на нем. Если сравнивать с дизельным топливом, в эквиваленте получается почти в два раза дешевле. 

НК: А это ответ на тот же самый вопрос – почему у нас не делаются Стирлинги. Первые грузовики на СПГ были сделаны еще в 1985 году, и парадокс в том, что эту технологию разработали мы, а сейчас ее развивают зарубежные страны. Крупные компании-моторостроители – «Вольво», «Мерседес» – уже выпускают грузовики на сжиженном природном газе. Порядка семи тысяч китайских автобусиков «Ютонг» тоже на нем. В Китае три тысячи заправок СПГ, и китайцы же собираются построить у нас завод грузовиков на сжиженном природном газе. Экономия – раз, экология – два. Есть жесткие законодательные требования, под которые предприятия начинают подстраиваться, их заставляют заниматься инновациями. 
В Испании, например, есть проект использования двухкиловаттных двигателей Стирлинга в квартирах. У них нет централизованного теплоснабжения, и возникает проблема: утром и вечером электричества не хватает, а днем – избыток. Для устранения проблемы нужно построить несколько крупных ТЭЦ на территории, и предлагают вместо этого поставить в домах двигатели Стирлинга. Те два киловатта, которых не хватает утром, люди будут производить у себя дома, а электроэнергию, которая будет вырабатываться в их отсутствие, государство выкупит. Все равно в каждом доме есть газовый котел для горячего водоснабжения – так давайте сжигать газ в двигателе Стирлинга. Это только одно из направлений. И я считаю, что это неплохо. Не шумит, не гремит… Холодильник работает громче, чем Стирлинг.




Всего 1 комментарий
Открыть Свернуть Комментировать
Комментарии
  • Леонард Мозер
    12:35   /  21 апреля 2015
    развернуть
    Леонард Мозер
    Актуальная тема из множества с таким же вопросом - почему?! Почему разрабатываем, но не внедряем? Почему не используем очевидные преимущества и еще тысячи таких же "почему?" Не могу судить о степени уникальности нашего народа, но ведь мы можем все... и не делаем. Ленивые? Не более, чем другие. Не предприимчивые? Не менее, чем другие. Про ресурсы, как природные, так и интелектуальные, вообще впереди планеты всей. Так что же не так?! Версии типа "могут, но не хотят" и "хотят, но не могут" вроде как отпадают. Логика подсказывает, что остается только из разряда "мешают", "не дают", "противодействуют" и тп. А кто не дает, кто мешает? Так свои же! Родные банки душат процентами, энергетики и транспортники - тарифами, депутаты - законами, чиновники - безпределом, суды - предвзяткостью. Одним словом - вредительство. А кто они все - эти банкиры, депутаты, чиновники, судьи и иже с ними? Так самые что ни на есть свои, соотечественники! То есть, народ гнобит сам себя и без всяких скидок на условные части, потому как поставь возмущенную жертву коррупции на место этого самого коррупционера и золото дракона сделает свое дело с эффективностью 0,99. Упс... Чем то напоминает вирус... А может это и есть диагноз: вирусная инфекция на фоне ослабленного иммунитета? ;)
OK OK OK OK OK OK OK
Яндекс.Метрика