Двигатель горячего воздуха
| Термодинамика |
|---|
 |
Двигатель горячего воздуха [1] (исторически называемый воздушным двигателем или калорическим двигателем [2] ) — любая тепловая машина , использующая расширение и сжатие воздуха под воздействием изменения температуры для преобразования тепловой энергии в механическую работу . Эти двигатели могут быть основаны на ряде термодинамических циклов, охватывающих как устройства с открытым циклом, такие как устройства сэра Джорджа Кэли. [3] и Джон Эрикссон [4] и двигатель замкнутого цикла Роберта Стирлинга . [5] Двигатели горячего воздуха отличаются от более известных двигателей внутреннего сгорания и паровых двигателей .
В типичной реализации воздух многократно нагревается и охлаждается в цилиндре , а возникающие в результате расширения и сжатия используются для перемещения поршня и производства полезной механической работы .
Определение
[ редактировать ]
Термин «двигатель горячего воздуха» специально исключает любой двигатель, выполняющий термодинамический цикл , в котором рабочее тело претерпевает фазовый переход , такой как цикл Ренкина . Исключаются также обычные двигатели внутреннего сгорания , в которых теплота добавляется к рабочему телу за счет сгорания топлива внутри рабочего цилиндра. Типы непрерывного сгорания, такие как Джорджа Брайтона Ready Motor и связанная с ним газовая турбина , можно рассматривать как пограничные случаи.
История
[ редактировать ]Расширяющее свойство нагретого воздуха было известно еще древним. героя Александрийского описаны В «Пневматике» устройства, которые можно было использовать для автоматического открытия дверей храма, когда на жертвенном алтаре зажигался огонь. Устройства, называемые двигателями горячего воздуха или просто воздушными двигателями , были зарегистрированы еще в 1699 году. В 1699 году Гийом Амонтон (1663–1705) представил Королевской академии наук в Париже отчет о своем изобретении: колесе, которое был вынужден вращаться под действием тепла. [6] Колесо было установлено вертикально. Вокруг ступицы колеса находились камеры, заполненные водой. Заполненные воздухом камеры на ободе колеса нагревались огнем под одной стороной колеса. Нагретый воздух расширялся и по трубкам перегонял воду из одной камеры в другую, выводя колесо из равновесия и заставляя его вращаться.
Видеть:
- Амонтонс (20 июня 1699 г.) «Средства удобной замены силы людей и лошадей действием огня для приведения в движение [т. е. силовых] машин), Мемуары Королевской академии наук , стр. 112-126. «Мемуары » появляются в « Histoire de l'Académie Royale des Sciences, année 1699» , которая была опубликована в 1732 году. Работа Амонтоновской moulin à feu (пожарной мельницы) объясняется на страницах 123–126; его машина изображена на табличке на следующей странице 126.
- Отчет об огневом колесе Амонтона на английском языке см.: Роберт Стюарт, « Исторические и описательные анекдоты о паровых машинах и их изобретателях и усовершенствователях» (Лондон, Англия: Wightman and Cramp, 1829), vol. 1, стр. 130–132 ; изображение машины появляется на [7] примерно в то же время, когда законы газов были впервые изложены , и ранние патенты включают патенты Генри Вуда , викария Хай-Эрколла близ Коулбрукдейл- Шропшира (английский патент № 739 от 1759 г.) и Томаса Мида , инженера из Скалкоутс-Йоркшира (английский патент № 979 от 1759 г.). 1791), [8] последний, в частности, содержит основные элементы двигателя вытеснительного типа (Мид назвал его передаточным механизмом). Маловероятно, что какой-либо из этих патентов привел к созданию реального двигателя, и самым ранним работоспособным примером, вероятно, был газовый двигатель открытого цикла английского изобретателя сэра Джорджа Кэли ок. 1807 г. [9] [10]
Вполне вероятно, что воздушный двигатель Роберта Стирлинга 1818 года, в котором использовался его инновационный экономайзер (запатентованный в 1816 году), был первым воздушным двигателем, примененным на практике. [11] Экономайзер, теперь известный как регенератор , аккумулировал тепло от горячей части двигателя, когда воздух переходил на холодную сторону, и отдавал тепло охлажденному воздуху, когда он возвращался на горячую сторону. Это нововведение повысило эффективность двигателя Стирлинга и должно присутствовать в любом воздушном двигателе, который правильно называется двигателем Стирлинга .
Стирлинг вместе со своим братом Джеймсом запатентовал второй двигатель с горячим воздухом в 1827 году. Они перевернули конструкцию так, чтобы горячие концы вытеснителей находились под оборудованием, и добавили насос сжатого воздуха, чтобы давление воздуха внутри могло повышаться до около 20 атмосфер. Чемберс утверждает, что этот проект не увенчался успехом из-за механических дефектов и «непредвиденного накопления тепла, не полностью отведенного ситами или небольшими проходами в прохладной части регенератора, внешняя поверхность которого была недостаточно велика, чтобы отводить неутилизированное тепло, когда двигатель работал на сильно сжатом воздухе».
Паркинсон и Кроссли, английский патент, 1828 г. изобрели собственный двигатель горячего воздуха. В этом двигателе воздушная камера при погружении в холодную воду частично подвергается воздействию внешнего холода, а ее верхняя часть нагревается паром. Внутренний сосуд движется в этой камере вверх и вниз и при этом вытесняет воздух, попеременно подвергая его горячему и холодному воздействию холодной воды и горячего пара, изменяя его температуру и состояние расширения. Колебания вызывают возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре, к концам которого попеременно соединена воздушная камера.
В 1829 году Арнотт запатентовал свою машину для расширения воздуха, в которой огонь размещается на решетке возле дна закрытого цилиндра, а цилиндр наполнен недавно поступившим свежим воздухом. Свободный поршень вытягивается вверх, так что весь воздух в цилиндре выше проходит по трубке через огонь и приобретает повышенную эластичность, имеющую тенденцию к расширению или увеличению объема, который огонь способен придать ему. .
В следующем году (1830 г.) за ним последовал капитан Эрикссон, который запатентовал свой второй двигатель горячего воздуха. В спецификации он описывается более конкретно как состоящий из «круглой камеры, в которой конус вращается на валу или оси посредством створок или крыльев, поочередно подвергающихся давлению пара; эти крылья или листья заставляют работать через прорези или отверстия в круглой плоскости, которая вращается под углом и, таким образом, удерживается в контакте со стороной конуса».
Эрикссон построил свой третий двигатель горячего воздуха (калорический двигатель) в 1833 году, «который вызвал такой большой интерес несколько лет назад в Англии; и который, если он будет введен в практическую эксплуатацию, окажется самым важным механическим изобретением, когда-либо задуманным человеческий разум, и тот, который принесет большую пользу цивилизованной жизни, чем что-либо, что когда-либо предшествовало этому, поскольку цель этого - производство механической энергии посредством тепла, при затрате топлива, столь чрезвычайно малом, что человек будет. иметь в своем распоряжении почти неограниченную механическую силу в регионах, где сейчас можно сказать, что топлива почти нет».
В 1838 году был получен патент на термовоздушный двигатель Франшо, который, безусловно, лучше всего соответствовал требованиям Карно.
До сих пор все эти воздушные двигатели не имели успеха, но технология развивалась. В 1842 году Джеймс Стирлинг, брат Роберта, построил знаменитый двигатель Данди Стирлинга. Этот просуществовал как минимум 2–3 года, но затем был снят с производства из-за неправильных технических решений.Двигатели горячего воздуха — это история проб и ошибок, и потребовалось еще 20 лет, прежде чем двигатели горячего воздуха можно было использовать в промышленных масштабах. Первые надежные двигатели горячего воздуха были построены Шоу, Ропером, Эрикссоном. Их было построено несколько тысяч.
Коммерческие производители
[ редактировать ]Горячие двигатели нашли рынок для перекачки воды (в основном в бытовой резервуар для воды), поскольку впуск воды обеспечивал холод, необходимый для поддержания разницы температур, хотя они нашли и другое коммерческое применение.
- Хейворд, Тайлер и компания из Лондона. Двигатели для перекачки воды и рабочие пунки 1876-1883 гг. [12]
- Hayward-Tyler & Co из Лондона. Бытовое водоснабжение (патент Райдера) 1888-1901 гг. [13]
- WH Bailey & Co, Солфорд. Двигатели для перекачки бытовой воды и эксплуатации конюшней, 1885-1887 гг. [14]
- Адам Вудворд и сыновья, Анкоутс, Манчестер. Патент Робинсона. около 1887 года [15]
- Норрис и Хенти, Лондон. Реселлеры насосных двигателей типа «Робинзон». c1898-1901 гг. [16]
- CH Delamater & Co, Delamater Iron Works, Нью-Йорк. Двигатель типа «Райдер» и «Эрикссон». 1870-е-1898 гг.
- Компания Rider Engine, Уолден, Нью-Йорк. 1879-1898 гг.
- Rider-Ericsson Engine Company , Уолден, Нью-Йорк. 1898-
Термодинамические циклы
[ редактировать ]двигателя горячего воздуха Термодинамический цикл может (в идеале) состоять из 3 или более процессов (обычно 4). Процессы могут быть любыми из следующих:
- изотермический процесс (при постоянной температуре, поддерживаемой за счет добавления или удаления тепла от источника тепла или поглотителя)
- изобарный процесс (при постоянном давлении)
- изометрический/изохорный процесс (при постоянном объеме)
- адиабатический процесс (тепло не добавляется и не отводится от рабочего тела)
- изэнтропический процесс , обратимый адиабатический процесс (тепло не присоединяется и не отводится от рабочего тела — и энтропия постоянна)
- изоэнтальпический процесс ( энтальпия постоянна)
Некоторые примеры (не все циклы горячего воздуха, как определено выше) следующие:
| Цикл | Сжатие, 1→2 | Добавление тепла, 2→3 | Расширение, 3→4 | Отвод тепла, 4→1 | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| Энергетические циклы обычно с внешним сгоранием или циклами теплового насоса: | |||||
| Белл Коулман | адиабатический | изобарный | адиабатический | изобарный | Обратный цикл Брайтона |
| Карно | изэнтропический | изотермический | изэнтропический | изотермический | Тепловая машина Карно |
| Эрикссон | изотермический | изобарный | изотермический | изобарный | Второй цикл Эрикссона 1853 года. |
| Рэнкин | адиабатический | изобарный | адиабатический | изобарный | Паровые двигатели |
| Гигроскопичный | адиабатический | изобарный | адиабатический | изобарный | |
| Скудери | адиабатический | переменное давление и объем | адиабатический | изохорный | |
| Стерлинг | изотермический | изохорный | изотермический | изохорный | Двигатели Стирлинга |
| Мэнсон | изотермический | изохорный | изотермический | изохорный, затем адиабатический | Двигатели Мэнсона и Мэнсона-Гиза |
| Стоддард | адиабатический | изобарный | адиабатический | изобарный | |
| Обычно циклы мощности с внутренним сгоранием : | |||||
| Аткинсон | изэнтропический | изохорный | изэнтропический | изохорный | Отличается от цикла Отто тем, что V 1 < V 4 . |
| Брайтон | адиабатический | изобарный | адиабатический | изобарный | ПВРД , турбореактивные двигатели , винты и валы . Первоначально разработано для использования в поршневых двигателях. Версия этого цикла с внешним сгоранием известна как первый цикл Эрикссона 1833 года. |
| Дизель | адиабатический | изобарный | адиабатический | изохорный | Дизельный двигатель |
| Хамфри | изэнтропический | изохорный | изэнтропический | изобарный | ПВРД , импульсного и непрерывного действия. двигатели |
| Ленуар | изохорный | адиабатический | изобарный | Импульсные струи . 1→2 обеспечивает как отвод тепла, так и сжатие. Первоначально разработано для использования в поршневых двигателях. | |
| Отто | изэнтропический | изохорный | изэнтропический | изохорный | Бензиновые/бензиновые двигатели |
Еще один пример — цикл Вийемье . [17]
См. также
[ редактировать ]- Двигатель Стирлинга
- Термоакустическая тепловая машина
- Двигатель Мэнсона-Гиза
- Вакуумный двигатель
- Тепловая машина Карно
- Хронология технологии тепловых двигателей
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Исследование двигателей горячего воздуха XIX века» . hotairengines.org .
- ^ Роберт Сиер (1999). Тепловоздушные тепловые двигатели и двигатели Стирлинга. Том 1, История (1-е издание (пересмотренное) изд.). Л.А. Майр. ISBN 0-9526417-0-4 .
- ^ «Жизнь Кэли и воздушные двигатели» . hotairengines.org .
- ^ «Жизнь Эрикссон и воздушные двигатели» . hotairengines.org .
- ^ «Жизнь Стирлинга и воздушные двигатели» . hotairengines.org .
- ^ «Огненное колесо Амонтона» . hotairengines.org .
- ^ страница 351 .
- ^ Роберт Сиер (1999). Тепловоздушные тепловые двигатели и двигатели Стирлинга. Том 1, История, стр. 56 (1-е издание (пересмотренное) изд.). Л.А. Майр. ISBN 0-9526417-0-4 .
- ^ «История двигателя Стирлинга» . Архивировано из оригинала 20 сентября 2009 г. Проверено 9 июля 2007 г.
- ^ Подробное содержание книги Тепловоздушные двигатели и двигатели Стирлинга. Том 1, История
- ^ Финкельштейн, Т; Орган, Эй Джей (2001). Глава 2.2 Воздушные двигатели . Профессиональное инженерное издательство. ISBN 1-86058-338-5 .
- ^ "Объявление". Друг Индии и государственный деятель . 30 ноября 1877 г. с. 4.
- ^ "Объявление". Поле . 14 марта 1896 г. с. 64.
- ^ "Объявление". Поле . 10 июля 1886 г. с. 64.
- ^ "Объявление". Уиднес Ревизор . 3 декабря 1887 г. с. 4.
- ^ "Объявление". Поле . 26 января 1901 г. с. 59.
- ^ Вурм, Ярослав (1991). Тепловые насосы Стирлинга и Вийемье: конструкция и применение . МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-053567-1 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Введение в машины с циклом Стирлинга
- Пионеры в конструкции авиадвигателей (Выберите нужную биографию)
- Устройство для метода тепловой дифференциации, патент Вийомье.
- Исследование двигателей горячего воздуха XIX века