цикл Эрикссона

Цикл Эрикссона назван в честь изобретателя Джона Эрикссона , который спроектировал и построил множество уникальных тепловых двигателей, основанных на различных термодинамических циклах . Ему приписывают изобретение двух уникальных циклов тепловых двигателей и разработку практических двигателей на основе этих циклов. Его первый цикл теперь известен как закрытый цикл Брайтона , а его второй цикл — это то, что сейчас называется циклом Эрикссона.Эрикссон — один из немногих, кто создал двигатели с открытым циклом. ^[1] но он также строил и замкнутого цикла. ^[2]

Идеальный цикл Эрикссона

Ниже приводится список четырех процессов, которые происходят между четырьмя стадиями идеального цикла Эрикссона:

Процесс 1 -> 2: Изотермическое сжатие. Предполагается, что пространство сжатия находится в промежуточном охлаждении , поэтому газ подвергается изотермическому сжатию. Сжатый воздух поступает в резервуар для хранения под постоянным давлением. В идеальном цикле передача тепла через стенки резервуара отсутствует.
Процесс 2 -> 3: Изобарное подвод тепла. Из резервуара сжатый воздух проходит через регенератор и забирает тепло при высоком постоянном давлении на пути к нагретому силовому цилиндру.
Процесс 3 -> 4: Изотермическое расширение. Пространство расширения силового цилиндра нагревается снаружи, и газ подвергается изотермическому расширению.
Процесс 4 -> 1: Изобарный отвод тепла. Прежде чем воздух будет выпущен в качестве выхлопа, он пропускается обратно через регенератор, таким образом охлаждая газ при низком постоянном давлении и нагревая регенератор для следующего цикла.

Сравнение с циклами Карно, Дизеля, Отто и Стирлинга.

Идеальные циклы Отто и Дизеля не являются полностью обратимыми, поскольку они включают передачу тепла посредством конечной разницы температур во время необратимых процессов изохорного / изобарного теплоприсоединения и изохорного отвода тепла. Вышеупомянутая необратимость делает тепловой КПД этих циклов меньшим, чем у двигателя Карно, работающего в тех же пределах температуры. Еще один цикл, в котором присутствуют изобарические процессы теплоприсоединения и отвода тепла, — это цикл Эрикссона. Цикл Эрикссона — это измененная версия цикла Карно , в которой два изоэнтропических процесса, представленные в цикле Карно, заменены двумя изотермическими процессами регенерации.

Цикл Эрикссона часто сравнивают с циклом Стирлинга , поскольку конструкции двигателей, основанные на этих соответствующих циклах, представляют собой двигатели внешнего сгорания с регенераторами . Ericsson, пожалуй, больше всего похож на двигатель Стирлинга так называемого «двойного действия», в котором вытеснительный поршень также действует как силовой поршень. Теоретически оба этих цикла имеют так называемый идеальный КПД, который является наивысшим, допускаемым вторым законом термодинамики . Наиболее известным идеальным циклом является цикл Карно полезный двигатель Карно , хотя неизвестно, был ли изобретен .Теоретическая эффективность для обоих циклов Эрикссона и Стирлинга, действующих в одних и тех же пределах, равна эффективности Карно для тех же пределов.

Сравнение с циклом Брайтона

Первый цикл, разработанный Эрикссоном, теперь называется « циклом Брайтона », обычно применяемым в газотурбинных двигателях .

Второй цикл Эрикссона чаще всего называют просто «циклом Эрикссона». (Второй) цикл Эрикссона также является пределом идеального газотурбинного цикла Брайтона, работающего с многоступенчатым сжатием с промежуточным охлаждением и многоступенчатым расширением с повторным нагревом и регенерацией. По сравнению с циклом Брайтона, в котором используется адиабатическое сжатие и расширение, второй цикл Эрикссона использует изотермическое сжатие и расширение, что обеспечивает большую чистую работу за один ход. Также использование регенерации в цикле Эрикссона повышает эффективность за счет снижения требуемого подвода тепла. Для дальнейшего сравнения термодинамических циклов см. Тепловой двигатель .


Цикл/Процесс	Сжатие	Добавление тепла	Расширение	Отвод тепла
Эрикссон (первый, 1833 г.)	адиабатический	изобарный	адиабатический	изобарный
Эрикссон (Второй, 1853 г.)	изотермический	изобарный	изотермический	изобарный
Брайтон (Турбина)	адиабатический	изобарный	адиабатический	изобарный

двигатель Эрикссон

Двигатель Эрикссона основан на цикле Эрикссона и известен как « двигатель внешнего сгорания », поскольку он имеет внешний нагрев. Для повышения эффективности двигатель имеет регенератор или рекуператор между компрессором и детандером. Двигатель может работать по открытому или закрытому циклу. Расширение происходит одновременно со сжатием на противоположных сторонах поршня.

Регенератор

Эрикссон ввел термин «регенератор» в честь своего независимого изобретения противоточного теплообменника со смешанным потоком. Однако преподобный Роберт Стирлинг изобрел такое же устройство до Эрикссона, поэтому авторство изобретения приписывается Стирлингу. Стирлинг назвал его «экономайзером» или «экономайзером», поскольку он увеличивал экономию топлива при различных видах тепловых процессов. Изобретение оказалось полезным во многих других устройствах и системах, где оно стало более широко использоваться, поскольку другие типы двигателей получили предпочтение перед двигателем Стирлинга. Термин «регенератор» теперь является названием компонента двигателя Стирлинга.

Термин « рекуператор » относится к противоточному теплообменнику с разделенным потоком. Как будто это не достаточно сбивает с толку, регенератор смешанного потока иногда используется в качестве рекуператора квазиразделенного потока. Это можно сделать за счет использования подвижных клапанов , вращающихся регенератов с фиксированными перегородками или использования других движущихся частей. Когда тепло рекуперируется из выхлопных газов и используется для предварительного нагрева воздуха для горения, обычно используется термин «рекуператор», поскольку эти два потока разделены.

История

В 1791 году, до Эрикссона, Джон Барбер аналогичный двигатель предложил . В двигателе Барбера использовался сильфонный компрессор и турбодетандер, но не было регенератора-рекуператора. Записей о работающем двигателе Барбера нет. Эрикссон изобрел и запатентовал свой первый двигатель, использующий внешнюю версию цикла Брайтона в 1833 году (номер 6409/1833, британский). Это было за 18 лет до Джоуля и за 43 года до Брайтона . Все двигатели Брайтона были поршневыми и по большей части представляли собой версии двигателя внутреннего сгорания без рекуперации двигателя Эрикссон. « Цикл Брайтона » теперь известен как цикл газовой турбины , который отличается от первоначального «цикла Брайтона» использованием турбинного компрессора и детандера. Газотурбинный цикл используется во всех современных газотурбинных и турбореактивных двигателях, однако турбины простого цикла часто рекуперируются для повышения эффективности, и эти рекуперированные турбины больше напоминают работы Эрикссона.

Эрикссон в конечном итоге отказался от открытого цикла в пользу традиционного закрытого цикла Стирлинга.

Двигатель Эрикссон можно легко модифицировать для работы в режиме замкнутого цикла, используя второй охлаждаемый контейнер с более низким давлением между исходными выхлопными и впускными каналами. В замкнутом цикле нижнее давление может значительно превышать давление окружающей среды, и _{He или H 2} можно использовать рабочий газ . Из-за более высокой разницы давлений между движением рабочего поршня вверх и вниз удельная мощность может быть больше, чем у бесклапанного двигателя Стирлинга . Дополнительная стоимость — это клапан . Двигатель Эрикссон также минимизирует механические потери: мощность, необходимая для сжатия, не идет за счет потерь на трение в подшипниках кривошипа, а передается непосредственно за счет силы расширения. Поршневой двигатель Ericsson потенциально может стать самым эффективным тепловым двигателем, когда-либо созданным. Правда, это еще предстоит доказать на практике. ^{[ нужна ссылка ]}

Эрикссон разработал и изготовил очень большое количество двигателей, работающих по различным циклам, включая паровой, Стирлинга, Брайтона, дизельный воздушно-жидкостный цикл с внешним нагревом. Он работал на самых разных видах топлива, включая уголь и солнечное тепло.

Эрикссон также был ответственным за первое использование гребного винта для движения кораблей на авианосце « Принстон» , построенном в 1842–1843 годах.

Теплоход Эрикссон

В 1851 году двигатель Эрикссона (второй из двух, обсуждаемых здесь) был использован для питания 2000-тонного корабля, теплохода Эрикссон . ^[3] и работал безупречно в течение 73 часов. ^[4] Комбинированный двигатель производил около 300 лошадиных сил (220 кВт). Он имел комбинацию четырех двухпоршневых двигателей; более крупный поршень/цилиндр расширения диаметром 14 футов (4,3 м) был, пожалуй, самым большим поршнем, когда-либо созданным. Ходят слухи, что поверх этих поршней ставили столы (очевидно, в прохладной камере сжатия, а не в камере горячего питания), и обед подавали и ели, пока двигатель работал на полную мощность. ^{[ нужна ссылка ]} При 6,5 об/мин давление было ограничено до 8 фунтов на квадратный дюйм (55 кПа). Согласно официальному отчету, он потреблял всего 4200 кг угля в сутки (первоначальная цель составляла 8000 кг, что все же лучше, чем у современных паровых двигателей). Единственное ходовое испытание показало, что, хотя двигатель работал хорошо, кораблю не хватало мощности. Через некоторое время после испытаний «Эрикссон» затонул. Когда его подняли, двигатель Эрикссона убрали и его место занял паровой двигатель. Корабль потерпел крушение, когда сел на мель в ноябре 1892 года у входа в пролив Баркли , Британская Колумбия, Канада. ^[5]

Сегодняшний потенциал

Цикл Эрикссона (и аналогичный цикл Брайтона) вновь вызывает интерес. ^[6] сегодня для извлечения энергии из тепла выхлопных газов газовых (и генераторных ) двигателей и солнечных концентраторов . Часто не признается важное преимущество цикла Эрикссона перед широко известным двигателем Стирлинга : объем теплообменника не влияет отрицательно на КПД.

(...) несмотря на значительные преимущества перед «Стерлингом». Среди них стоит отметить, что теплообменники двигателей Эрикссон не являются мертвыми объемами, тогда как разработчику теплообменников двигателя Стирлинга приходится сталкиваться с трудным компромиссом между как можно большими площадями теплообмена, но как можно меньшими объемами теплообменника. ^[7]

Для средних и больших двигателей стоимость клапанов может быть небольшой по сравнению с этим преимуществом. Реализация турбокомпрессора и турбины кажется предпочтительной в диапазоне МВт, компрессора объемного действия плюс турбина для мощности Nx100 кВтэ и компрессора объемного действия + детандера ниже 100 кВт. При использовании высокотемпературной гидравлической жидкости и компрессор, и детандер могут быть жидкостно-кольцевыми насосами даже при температуре до 400 °C с вращающимся корпусом для обеспечения максимальной эффективности.

Ссылки

^ «Двигатель открытого цикла Эрикссон 1852 года» . hotairengines.org .
^ «Двигатель замкнутого цикла Эрикссон 1833 года» . hotairengines.org .
^ «Талорный корабль Эрикссон» . hotairengines.org .
^ «Талорный двигатель Эрикссон» . Genuineideas.com . Проверено 15 декабря 2015 г.
^ «Кладбище Тихого океана — кораблекрушения острова Ванкувер» . www.pacificshipwrecks.ca . Архивировано из оригинала 10 июля 2004 года . Проверено 13 января 2022 г.
^ «Проекты - детали» . Ассистема. 18 ноября 2015 г. Архивировано из оригинала 22 декабря 2015 г. Проверено 15 декабря 2015 г.
^ Фула А, Стоуффс П, Сьерра Ф (22 марта 2013 г.). Теплообмен в цилиндрах прототипа двигателя Ericsson (PDF) . Международная конференция по возобновляемым источникам энергии и качеству электроэнергии (ICREPQ'13). Бильбао Испания.

Патенты Эрикссон. 1833 г. Великобритания и 1851 г. США ( US8481 )
Эволюция теплового двигателя, автор: Иво Колин, опубликованный Moriya Press, 1972, издательство Longman.
Тепловоздушные двигатели и двигатели Стирлинга, автор: Роберт Сиер. Опубликовано в 1999 году издательством LA Mair.
New York Times 1853-03-01 Теплоход Ericsson - Официальный отчет и переписка

Внешние ссылки

Отчет RAND 1979 года о новой конструкции «газотурбинной электростанции с циклическим циклом Ericsson» [1]
Исследование двигателей горячего воздуха XIX века

[haeericsson1852-1] «Двигатель открытого цикла Эрикссон 1852 года» . hotairengines.org .

[haeericsson1833-2] «Двигатель замкнутого цикла Эрикссон 1833 года» . hotairengines.org .

[haeericssonship-3] «Талорный корабль Эрикссон» . hotairengines.org .

[4] «Талорный двигатель Эрикссон» . Genuineideas.com . Проверено 15 декабря 2015 г.

[5] «Кладбище Тихого океана — кораблекрушения острова Ванкувер» . www.pacificshipwrecks.ca . Архивировано из оригинала 10 июля 2004 года . Проверено 13 января 2022 г.

[6] «Проекты - детали» . Ассистема. 18 ноября 2015 г. Архивировано из оригинала 22 декабря 2015 г. Проверено 15 декабря 2015 г.

[7] Фула А, Стоуффс П, Сьерра Ф (22 марта 2013 г.). Теплообмен в цилиндрах прототипа двигателя Ericsson (PDF) . Международная конференция по возобновляемым источникам энергии и качеству электроэнергии (ICREPQ'13). Бильбао Испания.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]