Цикл Эрикссона: Теория, Сравнение и История Разработки

Введение

Тип термодинамического цикла

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, основанных на этих циклах. Его первый цикл теперь известен как замкнутый цикл Брэйтона, а второй цикл – как цикл Эрикссона. Эрикссон – один из немногих, кто строил двигатели с открытым циклом, но он также строил двигатели с замкнутым циклом.

Сравнение с циклами Карно, Дизеля, Отто и Стирлинга

Идеальные циклы Отто и Дизеля не являются полностью обратимыми, поскольку включают в себя передачу тепла при конечной разнице температур в ходе необратимых изохорных/изобарических процессов подвода тепла и изохорного отвода тепла. Вышеупомянутая необратимость снижает тепловую эффективность этих циклов по сравнению с циклом Карно, работающим в тех же температурных пределах. Другой цикл, характеризующийся изобарическим подводом и отводом тепла, – это цикл Эрикссона. Цикл Эрикссона является модифицированной версией цикла Карно, в которой два изоэнтропийных процесса, свойственных циклу Карно, заменены двумя изотермическими процессами регенерации. Цикл Эрикссона часто сравнивают с циклом Стирлинга, поскольку конструкции двигателей, основанные на этих циклах, являются двигателями внешнего сгорания с регенераторами. Цикл Эрикссона, пожалуй, наиболее похож на так называемый двигатель Стирлинга "двойного действия", в котором вытеснительный поршень также выполняет функцию рабочего поршня. Теоретически, оба этих цикла обладают так называемой идеальной эффективностью, являющейся максимально возможной согласно второму закону термодинамики. Наиболее известным идеальным циклом является цикл Карно, хотя практический двигатель Карно не был изобретен. Теоретическая эффективность циклов Эрикссона и Стирлинга, работающих в одинаковых пределах, равна эффективности Карно для тех же пределов.

Двигатель Эрикссон

Двигатель Эрикссона основан на цикле Эрикссона и известен как "двигатель внешнего сгорания", поскольку тепло подводится из внешнего источника. Для повышения эффективности двигатель оснащен регенератором или рекуператором между компрессором и расширителем. Двигатель может работать по открытому или закрытому циклу. Расширение и сжатие происходят одновременно, с противоположных сторон поршня.

Регенератор

Эриксон ввёл термин «регенератор» для своего независимого изобретения теплообменника с противоточным смешанным потоком. Однако, священник Роберт Стирлинг изобрел то же самое устройство раньше Эриксона, поэтому изобретение приписывается Стирлингу. Стирлинг назвал его «экономизатором», поскольку он повышал экономичность различных тепловых процессов. Изобретение оказалось полезным во многих других устройствах и системах, где оно получило более широкое распространение, поскольку другие типы двигателей стали предпочтительнее двигателя Стирлинга. В настоящее время термин «регенератор» используется для обозначения компонента двигателя Стирлинга. Термин «рекуператор» относится к теплообменнику с разделенными противоточными потоками. И как будто этого недостаточно, регенератор смешанного потока иногда используется как квази-разделенный рекуператор. Это достигается с помощью подвижных клапанов, вращающихся регенераторов с неподвижными перегородками или других подвижных частей. Когда тепло отводится от выхлопных газов и используется для предварительного нагрева воздуха для сгорания, обычно используется термин «рекуператор», поскольку эти два потока разделены.

История

В 1791 году, до Эрикссона, Джон Барбер предложил аналогичный двигатель. Двигатель Барбера использовал компрессор с мехом и турбинный расширитель, но не имел регенератора/рекуператора. Нет никаких записей о работающем двигателе Барбера. Эрикссон изобрел и запатентовал свой первый двигатель, использующий внешнюю версию цикла Брэйтона, в 1833 году (номер 6409/1833 британский). Это было за 18 лет до Джоуля и за 43 года до Брэйтона. Двигатели Брэйтона были все поршневыми и в основном представляли собой версии с внутренним сгоранием двигателя Эрикссона без рекуперации. "Цикл Брэйтона" теперь известен как газотурбинный цикл, который отличается от оригинального "цикла Брэйтона" использованием турбокомпрессора и турбины расширения. Газотурбинный цикл используется во всех современных газовых турбинах и турбореактивных двигателях, однако турбины простого цикла часто оснащаются рекуперацией для повышения эффективности, и эти рекуперативные турбины больше соответствуют разработкам Эрикссона. В конечном итоге Эрикссон отказался от открытого цикла в пользу традиционного замкнутого цикла Стирлинга. Двигатель Эрикссона можно легко модифицировать для работы в замкнутом цикле, используя второй, охлаждаемый контейнер с более низким давлением между исходным выхлопом и впуском. В замкнутом цикле более низкое давление может быть значительно выше атмосферного, и можно использовать гелий или водород в качестве рабочего тела. Благодаря большей разнице давлений при движении рабочего поршня вверх и вниз, удельная мощность может быть выше, чем у бесклапанного двигателя Стирлинга. Дополнительные затраты связаны с использованием клапана. Двигатель Эрикссона также минимизирует механические потери: мощность, необходимая для сжатия, не проходит через потери на трение в подшипниках коленчатого вала, а применяется непосредственно силой расширения. Поршневой двигатель Эрикссона потенциально может быть самым эффективным тепловым двигателем, когда-либо созданным. Однако это еще предстоит доказать на практике. Эрикссон спроектировал и построил большое количество двигателей, работающих на различных циклах, включая паровой, Стирлинга, Брэйтона и цикл дизельного воздушного флюида с внешним нагревом. Он использовал в своих двигателях самые разные виды топлива, включая уголь и солнечную энергию. Эрикссон также был одним из первых, кто применил винтовой гребной винт для движения кораблей, на USS Princeton, построенном в 1842–43 годах.

In 1791, before Ericsson, John Barber proposed a similar engine. The Barber engine used a bellows compressor and a turbine expander, but it lacked a regenerator/recuperator. There are no records of a working Barber engine. Ericsson invented and patented his first engine using an external version of the Brayton cycle in 1833 (number 6409/1833 British). This was 18 years before Joule and 43 years before Brayton. Brayton engines were all piston engines and for the most part, internal combustion versions of the un recuperated Ericsson engine. The "Brayton cycle" is now known as the gas turbine cycle, which differs from the original "Brayton cycle" in the use of a turbine compressor and expander. The gas turbine cycle is used for all modern gas turbine and turbojet engines, however simple cycle turbines are often recuperated to improve efficiency and these recuperated turbines more closely resemble Ericsson's work. Ericsson eventually abandoned the open cycle in favor of the traditional closed Stirling cycle. Ericsson's engine can easily be modified to operate in a closed cycle mode, using a second, lower pressure, cooled container between the original exhaust and intake. In closed cycle, the lower pressure can be significantly above ambient pressure, and He or H2 working gas can be used. Because of the higher pressure difference between the upward and downward movement of the work piston, specific output can be greater than of a valveless Stirling engine. The added cost is the valve. Ericsson's engine also minimizes mechanical losses: the power necessary for compression does not go through crank bearing frictional losses, but is applied directly from the expansion force. The piston type Ericsson engine can potentially be the highest efficiency heat engine arrangement ever constructed. Admittedly, this has yet to be proven in practical applications. Ericsson designed and built a very great number of engines running on various cycles including steam, Stirling, Brayton, externally heated diesel air fluid cycle. He ran his engines on a great variety of fuels including coal and solar heat. Ericsson was also responsible for an early use of the screw propeller for ship propulsion, in the USS Princeton, built in 1842–43.

Калорический корабль Эрикссон

В 1851 году двигатель по циклу Эрикссона (второй из двух, рассматриваемых здесь) был использован для привода 2000-тонного судна, калорического судна "Эрикссон", и работал безупречно в течение 73 часов. Комбинированный двигатель состоял из четырех двойных поршневых двигателей; более крупный расширительный поршень/цилиндр диаметром 14 футов (4 м) был, возможно, самым большим поршнем, когда-либо построенным. По слухам, на эти поршни ставили столы (очевидно, в холодной компрессионной камере, а не в горячей рабочей камере) и во время работы двигателя на полной мощности подавали и ели ужин. При 6,5 оборотах в минуту давление было ограничено. Согласно официальному отчету, он потреблял всего 4200 кг угля в сутки (первоначальная цель составляла 8000 кг, что все равно лучше, чем у современных паровых двигателей). Единственное морское испытание показало, что, хотя двигатель работал хорошо, судно было недостаточно мощным. Вскоре после испытаний "Эрикссон" затонул. Когда его подняли, двигатель по циклу Эрикссона был демонтирован и заменен паровым двигателем. Судно потерпело крушение, выбросившись на мель в ноябре 1892 года у входа в Баркли-Саунд, Британская Колумбия, Канада.

Сегодняшний потенциал

Цикл Эрикссона (и аналогичный цикл Брейтона) вновь привлекает внимание как способ извлечения энергии из выхлопных газов газовых (и генераторного газа) двигателей и солнечных концентраторов. Важное преимущество цикла Эрикссона перед широко известным двигателем Стирлинга часто недооценивается: объем теплообменника не снижает эффективность. Несмотря на значительные преимущества перед двигателем Стирлинга, стоит отметить, что теплообменники двигателя Эрикссона не образуют мертвых объемов, в то время как конструктору теплообменников двигателя Стирлинга приходится искать сложный компромисс между максимально возможной площадью теплообмена и минимально возможным объемом теплообменника. Для двигателей средней и большой мощности стоимость клапанов может быть незначительной по сравнению с этим преимуществом. Реализации с турбокомпрессором и турбиной представляются перспективными в диапазоне МВт, с компрессором вытеснительного типа и турбиной – для мощности Nx100 кВт, а с компрессором вытеснительного типа и расширителем – ниже 100 кВт. При использовании высокотемпературной гидравлической жидкости как компрессор, так и расширитель могут быть реализованы в виде насосов с жидкостным кольцом, даже при температуре до 400 °C, с вращающимся корпусом для достижения максимальной эффективности.