Кіріспе

Термодинамикалық циклдың түрі. Эрикссон циклы – әртүрлі термодинамикалық циклдарға негізделген көптеген ерекше жылу қозғалтқыштарын жобалап және салған өнертапқыш Джон Эрикссонның есімімен аталады. Ол екі ерекше жылу қозғалтқышы циклін ойлап тапқан және осы циклдарға негізделген практикалық қозғалтқыштарды дамытқан. Оның бірінші циклы қазір жабық Брейтон циклі деп белгілі, ал екінші циклы – Эрикссон циклі деп аталады. Эрикссон ашық циклді қозғалтқыштар салған санаулы адамдардың бірі, бірақ ол жабық циклді қозғалтқыштарды да жасады.

Карно, дизель, Отто және Стирлинг циклдерімен салыстыру

Идеалдық Отто және Дизель циклдері толығымен қайтымды емес, себебі олар кері қайтымсыз изохорлық/изобарлық жылу қосу және изохорлық жылуды шығару процестері кезінде шекті температура айырмасы арқылы жылу алмасуды қамтиды. Аталған кері қайтымсыздық осы циклдердің жылу тиімділігін бірдей температура шегінде жұмыс істейтін Карно машинасының тиімділігінен төмендетеді. Изобарлық жылу қосу және жылу шығару процестерін қамтитын тағы бір цикл – Эрикссон циклі. Эрикссон циклі – Карно циклінің өзгеше түрі, онда Карно цикліндегі екі изоэнтропиялық процесс екі изотермиялық регенерациялық процесспен алмастырылады. Эрикссон циклі көбінесе Стирлинг циклімен салыстырылады, өйткені осы циклдерге негізделген қозғалтқыштардың конструкциялары сыртқы жану қозғалтқыштары болып табылады және оларда регенераторлар бар. Эрикссон, әсіресе, «қос қимылды» Стирлинг машинасына ұқсас, онда ығыстырғыш поршень сонымен қатар қуат поршені ретінде де жұмыс істейді. Теориялық тұрғыдан алғанда, осы екі циклдің де идеалдық тиімділігі бар, ол термодинамиканың екінші заңымен рұқсат етілген ең жоғары тиімділік болып табылады. Ең белгілі идеалдық цикл – Карно циклі, бірақ пайдалы Карно машинасының ойлап табылғаны белгісіз. Эрикссон және Стирлинг циклдерінің бірдей шекте жұмыс істейтін теориялық тиімділіктері сол шектегі Карно тиімділігіне тең.

Эрикссон қозғалтқышы

Эрикссон қозғалтқышы Эрикссон циклына негізделген және сыртқы күйдіру қозғалтқышы деп аталады, себебі оның жылуы сырттан беріледі. Тиімділігін арттыру үшін компрессор мен экспандер арасында регенератор немесе рекуператор орналасқан. Қозғалтқышты ашық немесе жабық циклмен жұмыс істеуге болады. Поршеньнің қарама-қарсы жақтарында кеңею және қысу процестері бір уақытта жүзеге асырылады.

Регенератор

Эриксон аралас ағынды қарсы ток жылу алмастырғышын жеке өзі ойлап тапқандығы үшін "регенератор" терминін енгізді. Дегенмен, Роберт Стирлинг Эриксоннан бұрын осы құрылғыны ойлап тапқан, сондықтан осы өнертабыс Стирлингке жатқызылады. Стирлинг оны "экономизатор" деп атады, себебі ол әртүрлі жылу процестерінде отынның тиімді пайдалануын арттырды. Бұл өнертабыс көптеген басқа құрылғылар мен жүйелерде де пайдалы болды, бірақ басқа типтегі қозғалтқыштар Стирлинг қозғалтқышынан басымдық алғандықтан, оның қолданылуы кеңейді. Қазір "регенератор" термині Стирлинг қозғалтқышының бөлігін атау үшін қолданылады. "Рекуператор" термині жеке ағынды, қарсы ток жылу алмастырғышты білдіреді. Бұл жеткілікті шатастырмағандай, аралас ағынды регенератор кейде жартылай жеке ағынды рекуператор ретінде қолданылады. Мұны жылжымалы клапандарды пайдалану арқылы, немесе бекітілген бөгеттері бар айналатын регенераторлар арқылы, немесе басқа жылжымалы бөліктерді қолдану арқылы іске асыруға болады. Кәдімгідей, түтін газдарынан жылуды қалпына келтіріп, жану ауасын алдын ала қыздырғанда "рекуператор" термині қолданылады, өйткені екі ағын да бөлек болады.

Тарих

1791 жылы Эрикссоннан бұрын Джон Барбер осыған ұқсас қозғалтқышты ұсынды. Барбердің қозғалтқышы балғалы компрессор мен турбиналық экспандерді қолданды, бірақ оған регенератор/рекуператор болмады. Барбердің жұмыс істейтін қозғалтқышының тіркелген деректері жоқ. Эриксон 1833 жылы Брейтон циклының сыртқы нұсқасын пайдалана отырып, өзінің алғашқы қозғалтқышын ойлап тапты және патенттеді (№ 6409/1833, британдық). Бұл Джоульге қарағанда 18 жыл, ал Брейтонға қарағанда 43 жыл бұрын болды. Брейтон қозғалтқыштарының барлығы поршенді қозғалтқыштар еді және көбінесе Эрикссонның рекуперацияланбаған қозғалтқыштарының іштен жану нұсқалары болды. "Брейтон циклы" қазір газ турбинасы циклы деп аталады, ол турбиналық компрессор мен экспандерді пайдалану арқылы бастапқы "Брейтон циклынан" ерекшеленеді. Газ турбинасы циклы барлық заманауи газ турбиналары мен турбореактивті қозғалтқыштарда қолданылады, бірақ тиімділікті арттыру үшін қарапайым цикл турбиналары көбінесе рекуперацияланады, ал осы рекуперацияланған турбиналар Эрикссонның жұмысына жақынрақ келеді. Эриксон ақырында ашық циклден дәстүрлі жабық Стирлинг циклына көшті. Эрикссонның қозғалтқышын жабық цикл режимінде жұмыс істеуге оңай өзгертуге болады, бастапқы шығыс және сіңіру арасында екінші, төмен қысымды, салқындатылған контейнерді пайдалану арқылы. Жабық циклда төменгі қысым қоршаған орта қысымынан әлдеқайда жоғары болуы мүмкін, және He немесе H2 жұмыс газы қолданылуы мүмкін. Жұмыс поршенінің жоғары және төмен қозғалысы арасындағы қысым айырмашылығының жоғары болуына байланысты, нақты шығыс клапансыз Стирлинг қозғалтқышынан артық болуы мүмкін. Қосымша шығын – клапан. Эрикссонның қозғалтқышы сондай-ақ механикалық шығындарды азайтады: сығылуға қажетті қуат бұрандалы подшипниктердің үйкеліс шығындары арқылы өтпейді, бірақ кеңею күшінен тікелей қолданылады. Эрикссонның поршеньді қозғалтқышы бұрын-соңды жасалған ең тиімді жылу қозғалтқышы болуы мүмкін. Әрине, бұл әлі практикалық қолдануда дәлелденбеді. Эриксон бу, Стирлинг, Брейтон, сыртқы қыздырылатын дизельдік ауа-сұйықтық циклы сияқты әртүрлі циклдармен жұмыс істейтін көптеген қозғалтқыштарды жобалап және жасады. Ол өзінің қозғалтқыштарын көмір және күн энергиясы сияқты әртүрлі отындармен жұмыс істетті. Эриксон сонымен қатар 1842–1843 жылдары салынған "Принстон" кемесінде кемелерді жылжыту үшін бұрандалы винтті алғаш рет пайдалануға жауапты болды.

Калорикалық кеме Эрикссон

1851 жылы Эрикссон циклді қозғалтқышы (мұнда талқыланған екеуінің екіншісі) 2000 тонналық кеме, «Калорикалық» кемесі, Эрикссонға қуат беру үшін қолданылды және 73 сағат бойы қатесіз жұмыс істеді. Бұл қозғалтқыш төрт қос поршеньді қозғалтқыштардың комбинациясынан тұрды; ең үлкен поршень/цилиндрдің диаметрі 14 фут (4 метр) болатын, кеңейту поршені, бұл, мүмкін, құрылған ең ірі поршень болды. Пістондардың үстіне үстелдер қойылған деген әңгіме бар (әрине, ыстық қуат камерасында емес, салқын қысылу камерасында) және қозғалтқыш толық қуатпен жұмыс істеп тұрғанда кешкі ас беріліп, ішілді. 6,5 айналым/минут (RPM) жылдамдығында қысым шектелген. Ресми есепке сәйкес, ол тәулігіне 4200 кг көмірді ғана жұмсады (бастапқы мақсат 8000 кг болған, бұл сол кездегі бу қозғалтқыштарынан жақсы нәтиже). Бір рет теңізде сынақтан өткенде, қозғалтқыш жақсы жұмыс істесе де, кемеге қуаты жеткіліксіз екені анықталды. Сынақтан кейін біраз уақыт өткен соң Эрикссон кемесі батып кетті. Оны көтергенде, Эрикссон циклді қозғалтқышы алынып, оның орнына бу қозғалтқышы орнатылды. 1892 жылдың қараша айында Баркли саундтың (Британдық Колумбия, Канада) кіреберісінде қарастың ішіне соғылып, кеме қирады.

Бүгінгі әлеует

Эриксон циклы (және ұқсас Брейтон циклы) газ және өндіріс газы қозғалтқыштарының және күн концентраторларының түтін газының жылуын пайдаланып қуат алуға бүгінде қайта жаңа қызығушылық тудырып отыр. Эриксон циклының, кең танымал Стирлинг қозғалтқыштарына қарағандағы маңызды артықшылығы көбінесе назардан тыс қалады: жылу алмастырғыштың көлемі тиімділікке кері әсер етпейді. Стирлингке қарағанда айқын артықшылықтарына қарамастан. Олардың ішінде Эриксон қозғалтқышының жылу алмастырғыштары өлі көлем емес екенін атап өту керек, ал Стирлинг қозғалтқышының жылу алмастырғыштарын жобалаушы мүмкіндігінше үлкен жылу беру ауданы мен мүмкіндігінше кіші жылу алмастырғыш көлемі арасында қиын таңдау жасауға тиіс. Орташа және ірі қозғалтқыштар үшін клапандардың құны осы артықшылыққа қарағанда арзан болуы мүмкін. MWe диапазонында турбокомпрессор және турбинаны қолдану тиімді көрінеді, Nx100 кВт қуат үшін оң ығысу компрессоры және турбина, ал 100 кВт-тан төмен қуат үшін оң ығысу компрессоры және экспандер. Жоғары температуралы гидравликалық сұйықтықпен компрессор мен экспандер 400 °C-қа дейін сұйық сақиналы сорғылар болып жұмыс істей алады, ең жақсы тиімділікке қол жеткізу үшін айналмалы корпуспен.