КПД установки

Потенциальный КПД двигателя Стирлинга выше, чем у других сравниваемых с ним двигателей, однако на совершенст­вование двигателей с разомкнутым циклом было затрачено зна­чительно больше усилий. Результаты сравнения различных дви­гателей по их КПД не имеют большого распространения, по­скольку, как уже отмечалось ранее, изготовители автомобилей и те, кто эксплуатируют стационарные установки, как правило, предпочитают сравнивать двигатели по удельному эффективно­му расходу топлива. Хотя этот параметр прямо связан с КПД,

КПД установки

Рис. 1.110. Потенциальные КПД энергосиловых установок [27].

• юг ю3 10* 10s

Температура источника тепла, К

I — предельные КПД двигателя Стирлинга; 2—предел прочности Материала; 3 — предель­ные КПД двигателя с принудительным зажиганием; 4— потенциально достижимые КПД Двигателя Стирлинга; 5 — двигатели внутреннего сгорания; 6 — паровая Машина; 7— двига­тель Стирлинга.

Тем не менее полезно рассмотреть и результаты измерения не­посредственно КПД. Прекрасной иллюстрацией достигнутых в настоящее время рабочих характеристик двигателей и потенци­альных значений их КПД является график, составленный в ра­боте [32] и представленный на рис. 1.110 в несколько изменен­ном виде.

Достигнутые к настоящему значения КПД эксперименталь­ных двигателей Стирлинга показаны на рис. 1.111.

▼ ! ■ 2 • 3

20

50

КПД ЦИКЛЭ Карно, %

Рис. 1.111. Реальные КПД экспериментальных двигателей Стирлинга по дан­ным НАСА, Rpt CR-I59 63I, перестроенным авторами.

1 — данные фирмы «Дженерал моторе»; 2 — данные фирмы «Юнайтед Стирлинг» (Швеция); 3 — данные фирм «Форд» и «Филипс».

Б. Удельный эффективный расход топлива

Прежде чем сравнивать конкретные двигатели по удельному эффективному расходу топлива, желательно было бы собрать и обобщить больше информации о различии в рабочих характе­ристиках сравниваемых двигателей, используя совокупность ре­зультатов по целому ряду типичных двигателей каждого типа. Необходимо заметить, что большое количество результатов, от­носящихся к двигателям Стирлинга, получено на динамометри­ческих стендах, а не при испытаниях автомобилей, а некоторые данные получены на основе расчета на ЭВМ моделей, обладаю­щих достаточной степенью достоверности. Результаты испыта­ний автомобилей вплоть до 1980 г. не совпадали с достаточной степенью точности с расчетными данными, однако намечали пу­ти реализации потенциальных возможностей двигателя. Удель­ные эффективные расходы топлива различных энергосиловых установок, предназначенных для использования в качестве ав­томобильных источников энергии, сравниваются на рис. 1.112 [53].

На этом графике наглядно видны преимущества двигателя Стирлинга во всем диапазоне рабочих режимов. Поскольку удельный эффективный расход топлива рассматривается и как функция скорости, и как функция нагрузки, то на рис. 1.113 и 1.114 приведены соответствующие кривые для полного диапазо­на рабочих скоростей при 50 и 20 % полной нагрузки соответ­ственно.

Преимущества двигателя Стирлинга весьма наглядны и в этом случае. Исходные данные для этих обобщающих графиков

*

9 Зак. 839

<и гэ

ZTi

0,1 0,5 1,0

Мощность / Максимальная мощность

Рис. 1.112. Сравнение удельных эффективных расходов топлива различных эпергосиловых установок [53].

КПД установки

1—дизель с нормальной системой впуска; 2 — дизель с турбонаддувом; 3—бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным аарядом; 4—одновальная газовая турбина; 5—двухвальнан газовая турбина; 6 — двигатель Стирлинга.

ОС

X * ^ с

S С. jT И

С — х

V — —

J___ L

1.Q

■е-ь в -0.2

II

J____ I___ I___ L

0,5

Спорость/Максимальная скорость

Рис. 1.113. Сравнение удельных эффективных расходов топлива различных энергосиловых установок при 50 % нагрузки [53].

1—одновальная газовая турбина; 2—двухвальная газовая турбина; 3 — дизель с турбо­наддувом; 4—бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом; 5—двигатель Стирлинга.

Были взяты из работы [53]. Поскольку цены на топливо про­должают повышаться, удельный эффективный расход становит­ся все более определяющей характеристикой, и, хотя не прекра­щаются активный поиск и исследования по другим источникам энергии, нет сомнения, что в обозримом будущем углеводород­ные топлива останутся основным ее источником. Более того,

КПД установки

Скорость/Максимальная скорость

Рис. 1.114. Сравнение удельных эффективных расходов топлива различных энергосиловых установок при 20 % нагрузки [53].

I — дизель с турбоиаддувом; 2— бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом; 3 — одновальная газовая турбина; 4—двухвальная газовая турбина; 5—двигатель Стирлинга.

Даже в условиях астрономического роста цен снижение потреб­ления топлива будет незначительным. Опыт стран Запада пока­зывает, что с начала нефтяного кризиса в 70-х годах цены на нефть оказывали незначительное влияние на потребление топ­лива. Исследование, опубликованное в 1980 г. министерством энергетики США, показало, что при повышении цен на топливо даже на 100 % потребление топлива уменьшится только на

II %. Если на потребление топлива не слишком сильно влияют экономические факторы, то маловероятно, что оно понизится, уступая политическому давлению. Влияние официальных регла­ментации, направленных на экономию топлива, также пробле­матично.

Очевидно, что снижение удельного эффективного расхода топ­лива может способствовать уменьшению потребления топлива, поскольку уменьшение расхода топлива на 10 % позволило бы сэкономить, например, для США свыше 305 млн. л импорти­руемой сырой нефти в сутки, что соответствует экономии свыше 5 млрд. долл. в год. Однако в целом это очень небольшая эко­номия. Поэтому, хотя снижение удельного эффективного расхо­да топлива является важным, оно не дает решения проблемы энергии для большинства стран. Источники энергии, заменяю­щие жидкие углеводороды, могут дать более ощутимый эффект в обозримом будущем, и проблемы, связанные с этим вопросом, будут рассмотрены позже. Кроме того, необходимо отметить, что доступность энергии имеет такое же существенное значение, как и ее стоимость.

В. Развиваемая мощность

Обоснованное сравнение по этому показателю может быть сделано только на основе отношения массы к развиваемой мощ­ности, и сравниваемые двигатели должны быть предназначены для одной и той же области применения. Далее необходимо сравнивать значения отношения массы всей энергосиловой уста­новки к развиваемой мощности. Энергосиловая установка, пред­назначенная для использования на автомобиле, будет включать агрегаты трансмиссии, аккумуляторные батареи, систему охлаж­дения и т. д. Для двигателей, отобранных для сравнения, эти данные представлены на рис. 1.115 и 1.116.

В обоих случаях, как видно из графиков, двигатель Стир­линга не обладает явными преимуществами, однако необходимо учитывать, что при разработке двигателей Стирлинга до сих пор не уделялось большого внимания оптимизации отношения мощности к массе, что и отразилось на представленных резуль­татах. Нельзя рассчитывать на то, что для такой оптимизации имеются большие возможности, с другой стороны, было бы не­верно утверждать, что достигнутые результаты — предел. При выполнении программы разработки двигателей в США, по кото­рой к 1984 г. было намечено достичь стадии начала производ­ства, предпринимаются большие усилия по снижению массы двигателя. При этом следует учитывать, что, как показано в табл. 1.7, в силу присущих им рабочих характеристик двига­тели Стирлинга (как и одновальные газовые турбины) не дол­жны иметь те же значения развиваемой мощности, что и другие двигатели, и поэтому могут иметь меньшую массу, чем сущест­вующие автомобильные двигатели.

Еще один фактор, который необходимо принять во внима­ние,— это размеры двигателя данной мощности. Этот фактор важен не только с точки зрения компактности, но, например, при установке на судне с точки зрения потери полезного объе­ма трюмов. Установлено, что двигатель Стирлинга занимает

Рис. 1.115. Соотношение между мас­сой двигателя и развиваемой им мощностью для энергосиловых уста­новок различных типов [53].

1— дизель с нормальной системой впуска;

2— двигатель Стирлинга; 3—дизель с турбо — наддувом; 4 — бензиновый двигатель с при­нудительным зажиганием и слоистым зарядом; 5 — бензиновый двигатель с при­нудительным зажиганием и гомогенным зарядом; 6 — двухвальная газовая турбина; 7— одновальная газовая турбина.

3D БО 90 120

КПД установки

Мощность йоигатеэтя, кВт

400

300

S

КПД установки

X

О с £ со Е

Г 200

100

60 90

30

120

Мощность двигателя, кВт

Рис. 1.116. Соотношение между массой установки и развиваемой ею мощ­ностью для энергосиловых установок различных типов [53].

1 — дизель с нормальной системой впуска; 2 — двигатель Стирлинга; 3 — дизель с турбо — наддувом; 4 —бензиновый двигатель с принудительным зажиганнем и слоистым зарядом; Г» —бензиновый двигатель с принудительным зажиганнем н гомогенным зарядом; 6—ротор­ный двигатель с принудительным зажиганнем; 7—двухвальная газовая турбина; 8 — одно — иальная газовая турбина.

Примерно такое же пространство, что и эквивалентный дизель [56, 57]. Более свежие данные [53] позволяют составить сводную таблицу значений отношения мощности к занимае­мому объему для разных двигателей мощностью 78—126 кВт (табл. 1.8).

Таблица 1.8. Отношение мощности двигателя Р к объему V, Занимаемому энергосиловой установкой

Тип двигателя

PIV,

КВт/м3

Мощность, кВт

Двигатель с принудительным зажиганием и

498

97

Гомогенным зарядом

Двигатель с принудительным зажиганием и

337

95

Слоистым зарядом

Двигатель Стирлинга

309

126

Дизель с турбонаддувом

262

78

Дизель с нормальной системой впуска

203

90

Двухвальная газовая турбина

186

90

Одновальная газовая турбина

Нет

Данных

Из таблицы следует, что двигатели с принудительным зажи­ганием и гомогенным зарядом все еще превосходят по этому показателю все другие двигатели, однако перспективные двига­тели со слоистым зарядом не будут иметь такого неоспоримого преимущества, как двигатели с гомогенным зарядом. Если в дви­гателях Стирлинга и газовых турбинах найдут применение кера­мические компоненты, то ситуация может резко измениться. При современном уровне технического прогресса двигатель Стирлин­га в целом превосходит дизельные двигатели.

Г. Крутящий момент

Изменения крутящего момента двигателя Стирлинга в зави­симости от скорости и давления уже рассматривались ранее в сравнении с другими энергосиловыми установками. При исполь­зовании этого двигателя на автомобиле особенности его харак­теристик крутящий момент — скорость особенно благоприятны с точки зрения эффективного ускорения автомобиля и способ­ствуют упрощению и удешевлению агрегатов трансмиссии. Од­нако для полноты картины необходимо сказать несколько слов о циклических колебаниях крутящего момента. В литературе со­общается, что двигатель Стирлинга отличается более плавными изменениями крутящего момента по сравнению с другими дви­гателями возвратно-поступательного действия. «Плавный» озна­чает, по-видимому, что изменения крутящего момента с измене­нием угла поворота кривошипа этого двигателя сравнительно малы. Мы намеренно употребили слово «по-видимому», посколь­
ку, когда спрашивают, что в точности означает термин «плав­ный», мы не в состоянии дать однозначного определения. Этот вопрос подробно рассматривается в гл. 2. Здесь достаточно бу­дет отметить, что изменения крутящего момента в зависимости от угла поворота кривошипа у многоцилиндрового двигателя Стирлинга меньше, чем, например, у двигателя с принудитель­ным зажиганием (рис. 1.117).

Меньшие колебания крутящего мо­мента означают также, что колебания угловой скорости у двигателя Стир­линга также существенно меньше, чем у других двигателей. Это утверждение относится, разумеется, к двигателям без маховиков. Практически это озна­чает, что двигатели Стирлинга мож­но комплектовать менее массивным маховиком и что пуск двигателя Стирлинга требует меньших механиче­ских усилий. Далее, благодаря ма­лым циклическим колебаниям момен­та и скорости вращения двигатели Стирлинга могут оказаться более под­ходящими для автономных электроге­нераторов.

Эти утверждения, однако, нужда­ются в проверке, поскольку, хотя от­ношение пикового крутящего момента е< его среднему значению у четырехци­линдрового двигателя Стирлинга без маховика близко к 1,1, для одноци­линдрового двигателя Стирлинга это значение увеличивается до 3,5, что выглядит не так уж многообещающе. Тем не менее у че­тырехцилиндрового двигателя Стирлинга это отношение такое же, как у восьмицилиндрового двухтактного дизеля, и наполови­ну меньше, чем у четырехцилиндрового четырехтактного дизеля.

Д. Стоимость

КПД установки

Угол поворота кривошипа, грай.

Рнс. 1.117. Крутящий мо­мент в зависимости от угла поворота кривошипа [53].

1 — двигатель с принудительным зажиганием; 2— двигатель Стир­линга.

Оценка стоимости всегда затруднительна, а ее прогноз с учетом будущих разработок весьма неточен. Однако несомнен­но, что такая оценка необходима для сравнения альтернатив­ных двигателей, если при этом учитывать наиболее дорогостоя­щие компоненты. Стоимость двигателя Стирлинга приблизи­тельно в 1,5—15 раз выше, чем эквивалентного дизеля. Такая оценка сделана на основе технической литературы; она приво­дилась на технических конференциях и совещаниях. На первый взгляд эта оценка кажется необоснованной, но, скорее всего.

Она верна, и это станет ясно из дальнейшего изложения. Бездо­казательные утверждения о предполагаемой стоимости, как правило, не имеют смысла, но, к сожалению, такие утверждения делаются во многих публикациях. Однако в настоящее время благодаря программам, выполняемым по заказу министерства энергетики США, стали доступными результаты более подроб­ных исследований в этой области.

Стоимость может определяться различными факторами, из которых основными являются:

1) затраты труда;

2) материалы;

3) капитальное оборудование;

4) производственное оборудование;

5) эксплуатация и техническое обслуживание;

6) разработка конструкции.

Этот список ни в коей мере не является исчерпывающим. Многие составляющие стоимости непосредственно зависят от массовости производства. Хотя это и очевидно, не мешает еще раз повторить это утверждение, поскольку подобным аспектом оценки стоимости пренебрегают во многих публикациях. Зави­симость экономики от масштабов выпуска продукции может означать, что двигатель одного типа дороже другого при мелко­серийном выпуске, но дешевле при увеличении объема продук­ции. Необходимо принимать во внимание и область применения двигателя. Например, стоимость автомобильного двигателя со­ставляет только небольшую часть общей стоимости автомобиля, поэтому при сравнении стоимости различных двигателей необ­ходимо учитывать, что существенное различие в стоимости дви­гателей может и не повлиять заметно на стоимость автомобиля при установке этих двигателей. Эту особенность можно проил­люстрировать простым расчетом. Если принять для примера, что стоимость двигателя составляет 10 % общей стоимости авто­мобиля, то при стоимости автомобиля 6000 долл. двигатель бу­дет стоить 600 долл. Предположим, что другой двигатель вдвое дороже, т. е. стоит 1200 долл.; тогда полная стоимость автомо­биля будет 6600 долл., т. е. только на 10 % выше, и покупатель, возможно, предпочтет уплатить немного большую цену за бо­лее подходящий для него автомобиль.

Прежде чем рассматривать стоимость и издержки в услови­ях промышленного производства, нам хотелось бы на основе собственного опыта рассмотреть эволющию стоимости при соз­дании или покупке опытного образца двигателя Стирлинга или двигателя этого типа, предназначенного для исследователь­ских целей. Мощность таких двигателей будем считать ограни­ченной значением 100 кВт. Цена такого двигателя при покупке с учетом уровня цен 1981 г. будет около 6700 долл./кВт. Одна — I о, если двигатель построен той же организацией, которая бу­дет его использовать, или изготовлен сторонней организацией по детально разработанной документации и с помощью машинно­го проектирования, его стоимость будет заключаться в пределах ;Ю00—3500 долл./кВт. По мере того как двигатель Стир­линга будет становиться более массовым и менее «исследова­тельским», его стоимость будет резко падать. Один из изготови­телей небольших двигателей Стирлинга (менее 1 кВт) считает, что при производстве 1000 таких двигателей в год стоимость одного двигателя по сравнению с его стоимостью при индиви­дуальном изготовлении может уменьшиться в 30 раз.

Такая зависимость стоимости от масштабов производства подтверждается недавними исследованиями ряда двигателей, работающих на солнечной энергии, выполненными Лаборатори­ей реактивных двигателей (США) [58]. Было проведено срав­нение двигателя Стирлинга и газовой турбины в модификациях, рассчитанных на использование солнечной энергии. Газовая турбина была специально сконструирована фирмой «Гарретт», а двигатель Стирлинга был взят из серии, выпускаемой фир­мой «Юнайтед Стерлинг». Результаты проведенных исследова­ний, приведенные к уровню цен и обменному курсу валюты 1981 г., приведены в табл. 1.9.

Таблица 1.9. Зависимость стоимости от объема выпуска (сравнение двигателя Стирлинга и газовой турбины)

Суммарная удельная стоимость, долл./кВг

, , Газовая турбина Двигатель Стирлинга

Годовой объем _____________________ _____________________ _

Выпуска, Шт.

_ Силовая „ Силовая

Двигатель установка Двигатель установка

I 000

100

268

198

420

25 000

90

105

83

140

100 000

85

102

45

80

400 000

77

88

43

67

Суммарная удельная стоимость включает издержки на оп­лату рабочей силы, стоимость материалов, затрат^ на капи­тальное оборудование и инструмент. Влияние, оказываемое на стоимость объемом производства, хорошо видно из представлен­ных данных. Суммарная удельная стоимость газовой турбины с увеличением объема выпуска уменьшается в 3 раза, в то время как тот же показатель двигателя Стирлинга уменьшается более чем в 6 раз. При малом объеме выпуска двигатель Стирлинга более чем на 50 % дороже газовой турбины, а при годовом вы­пуске 400 000 двигателей — на 30 % дешевле. Для рассматрива­емых целей объем выпуска 400 000 двигателей в год представ­ляется несколько завышенным, однако для автомобильных дви­гателей такой объем можно считать обычной нормой [53].

Потенциальные изготовители двигателей Стирлинга в боль­шей степени заинтересуются предполагаемой стоимостью этих двигателей, предназначенных для использования на автомоби­лях. Стоимость изготовления, приведенная в табл. 1.10, учиты-

Мощность двигателя 75 кВт Мощность двигателя 112 кВт

Таблица 1.10. Стоимость изготовления автомобильных двигателей при объеме выпуска 400 000 шт./год (в ценах 1981 г.)

Тип двигателя

Удельная стоимость, долл. /кВт

Доля материалов и оборудо­вания, %

Удельная стоимость, долл /кВт

Доля материалов и оборудо­вания, %

Двигатель с принуди­тельным зажиганием

12,06

59,7

13,84

42,3

И гомогенным зарядом Двигатель с принуди­тельным зажиганием

12,49

60,5

14,18

42,5

И слоистым зарядом Двухвальная газовая

Турбина Двигатель Стирлинга

17,37 19,89

67,5 69,7

18,63 22,12

46,0 47,7

Вает издержки на оплату рабочей силы, стоимость материалов, капитального оборудования и инструмента и во многом анало­гична по своей структуре стоимости, подсчитанной для солнеч­ных двигателей. Однако в автомобильном варианте двигатели имеют более развитую конструкцию, чем в варианте солнечного двигателя. Для двигателя Стирлинга и для газовой турбины в отличие от обычных двигателей требуются различные специаль­ные материалы. Разумеется, это в значительной степени вопрос снабжения и конъюнктуры, так что если бы двигатель Стирлин­га или газовая турбина были бы «обычными» двигателями, то материалы для них могли бы иметь меньшую стоимость, по­скольку горнодобывающая промышленность и сталеплавильная промышленность были бы ориентированы на производство этих материалов, а материалы для производства двигателей с при­нудительным зажиганием и дизелей стали бы «специальными». Более того, специальные материалы часто требуют соответству­ющего специального производственного оборудования, что спо­собствует добавочному росту стоимости. С учетом применяемых в настоящее время в автомобильной промышленности материа­лов и производственного оборудования следует ожидать, что с точки зрения стоимости обычные двигатели будут предпочти­тельнее. Чтобы прояснить этот аспект формирования стоимости изготовления, в табл. 1.10 приведены стоимости двигателей двух значений мощности (75 и 112 кВт) и указаны также процент­ные доли общей стоимости, приходящиеся на материал и про­изводственное оборудование.

Потребители двигателей интересуются продажными ценами, а не стоимостью изготовления, что и не удивительно. Поэтому в табл. 1.11 представлены продажные цены автомобильных дви­гателей при годовом выпуске на уровне 400 ООО шт. Там же указана разница в цене по сравнению с обычным бензиновым двигателем с принудительным зажиганием и гомогенным заря­дом (ГЗБ).

Мощность двигателя 75 кВт Мощность двигателя 112 кВт

Таблица 1.11. Продажная цена автомобильных двигателей при объеме вы­пуска 400 000 шт./год (в ценах 1981 г.)

Тип двигателя

Удельная

Разница в цене

Удельная

Разница в цене

Цена,

По отношению

Цена,

По отошению

Долл./кВт

К ГЗБ, %

Долл./кВт

К ГЗБ, %

Двигатель с принуди­

25,25

_

18,74

Тельным зажиганием

И гомогенным заря­

Дом (ГЗБ)

Двигатель с принуди­

26,53

+5,1

19,49

+4,0

Тельным зажиганием

И слоистым зарядом

+35,6

Двухвальная газовая

36,04

+42,7

25,41

Турбина

28,92

+54,3

Двигатель Стирлинга

39,74

+57,4

С точки зрения стоимости изготовления и продажной цены двигатели Стирлинга дороже других двигателей, хотя при бла­гоприятных для них объеме выпуска и области применения они могут стать экономически более выгодными, чем их конкуренты. Однако совершенно ясно, что с увеличением мощности двигате­лей Стирлинга и объема их производства они станут с эконо­мической точки зрения все более конкурентоспособными. Взаи­мосвязь между составляющими стоимости, рассмотренными в настоящем разделе, показана на рис. 1.118.

Распределение суммарной стоимости двигателя Стирлинга с косой шайбой фирмы «Форд» по элементам конструкции, со­ставляющим энергосиловую установку, приведено в табл. 1.12 для годового объема выпуска 400 000 шт. [53].

Доля общей стоимости, %

Таблица 1.12. Составляющие стоимости двигателя Стирлинга

Подсистема двигателя

Мощность

Мощность

Двигателя

Двигателя

75 кВт

112 кВт

Система сжигания топлива

19,4

18,1

Теплообменники

29,5

34,8

Основные механические компоненты

19,4

19,3

Уплотнения

8,0

6,7

Система управления мощностью

8,0

6,7

Вспомогательные агрегаты двигателя

15,7

14,4

Наибольшую относительную стоимость имеют теплообменни­ки, и фирма искала возможности снизить ее приблизительно до 17 % за счет совершенствования конструкции и технологии из­готовления [37], пока ее программа совершенствования двига­телей Стирлинга не прекратила свое существование.

КПД установки

Рис. 1.118. Взаимосвязь между составляющими стоимости.

Даже если для двигателя Стирлинга будут применяться ме­нее дорогие материалы и будет достигнут соответствующий объем производства, то и в этом случае вряд ли двигатель Стирлинга будет дешевле, чем, скажем, двигатель с принуди­тельным зажиганием и гомогенным зарядом. Однако, как уже говорилось выше, потребитель, возможно, будет готов пойти на дополнительные расходы ради преимуществ, которые будут свя­заны с этим двигателем. Если удастся реализовать потенциаль­ные возможности двигателя по экономии топлива и смазочного масла и увеличению установленной долговечности, то снижение стоимости эксплуатации двигателя Стирлинга может повлечь за собой экономию суммарных затрат на приобретение и эксплу-
атацню двигателя, что на потребителя должно произвести боль­шее впечатление, чем соображения охраны окружающей среды и преобразования энергии. Особое внимание на такую экономию должны обратить в Западной Европе, где «экономичные» авто­мобили с низким расходом топлива становятся все более по­пулярными, хотя первоначальная стоимость таких автомобилей ненамного меньше, чем более роскошных, но менее экономич-

Ных автомобилей. Интересно, что на рынке подержанных ав­томобилей «экономичный» ав­томобиль перепродается часто по более высокой цене, чем его «собратья» более высокого класса. Расчет общей рента­бельности, которой можно ожи­дать от двигателя Стирлинга, был выполнен фирмой «Юнай­тед Стерлинг» для случая установки двигателя на грузо­вой автомобиль [59]. Опубли­кованные данные относятся к уровню цен 1973 г., однако по­следовавший катастрофиче­ский рост инфляции и рост в геометрической прогрессии цен на топливо и смазочные мате­риалы затрудняют перевод по­лученных результатов к уров­ню цен 1981 г., в то же время публикация здесь расчетов стои­мости на уровне 1973 г. вряд ли целесообразна.

КПД установки

J0?. им/год

13 5 7

Срок эксплуатации, гой

Рис. 1.119. Время компенсации перво­начальной разницы в стоимости дви­гателя Стирлинга и дизеля в процес­се эксплуатации. (С разрешения фир­мы «Юнайтед Стирлинг», Швеция.) (Данные скорректированы авторами.) КЭР — коэффициент экономической рента­бельности.

Коэффициент экономической рентабельности (КЭР) вычис­лялся по следующей формуле:

(Разность стоимостей____ /Разность первоначальныхЧ

__ Эксплуатации / V___________________ Стоимостей_______ )

КЭР

(1.10)

Разность первоначальных стоимостей

При этом разности определяются между соответствующими по­казателями двигателя Стирлинга и эквивалентного дизеля.

Из результатов, полученных фирмой «Юнайтед Стирлинг» и скорректированных авторами (рис. 1.119), следует, что при экс­плуатационном пробеге 16 000 км в год КЭР = 0 после 4,1 года эксплуатации; иными словами, за этот период меньшие затра­ты на эксплуатацию двигателя Стирлинга по сравнению с дизе­лем уравновесят его большую первоначальную стоимость, а че­рез 5,7 года КЭР достигнет значения 0,5, т. е. будет получена экономия, равная половине разности первоначальных капитало-

Вложений. При годовом пробеге 100 000 км — среднем для Ев­ропы при международных автомобильных перевозках — перво­начальные дополнительные капиталовложения окупятся через 2—3 месяца эксплуатации. Эти результаты получены для оди­ночного автомобиля. Аналогичный расчет, проведенный для ав­токолонны, дал бы еще более благоприятные результаты. Даже такой краткий обзор вопросов, связанных со стоимостью двига­телей Стирлинга, позволяет сделать обоснованный вывод, что этот двигатель, хотя и имеет большую стоимость изготовления, зато потенциально менее дорог в эксплуатации. При дальней­шем повышении стоимости нефтепродуктов и затруднениях в их приобретении преимущества двигателя Стирлинга могут стать еще более ощутимыми.

Хотя двигатель Стирлинга может работать на самых раз­личных источниках энергии, несомненно, что еще и в начале будущего столетия основным источником энергии для наземно­го транспорта останутся углеводородные топлива. Это не озна­чает, что углеводородные топлива по-прежнему будут получать из существующих источников и что они сохранят современный вид. Этот вопрос предстоит изучить, так как возможны допол­нительные экономические выгоды за счет способности двигате­ля Стирлинга работать на различных видах топлива. Поэтому вслед за обсуждением технологичности двигателя Стирлинга мы рассмотрим возможности использования альтернативных углеводородных топлив.

Е. Технологичность

Хотя этот вопрос рассматривается отдельно от стоимости, на самом деле стоимость изготовления прямо связана с техноло­гичностью. Однако для большей четкости изложения удобнее рассмотреть вопросы, связанные с технологичностью, отдельно. Как видно из табл. 1.10, двигатель Стирлинга имеет большую стоимость, чем другие варианты автомобильных двигателей; со­ставляющие этой стоимости приведены в табл. 1.12. Основная причина такой относительной дороговизны двигателя Стирлин­га — использование высоколегированных сплавов для изготов­ления теплообменников. Конструкция теплообменников преду­сматривает применение весьма дорогой технологии пайки и до­рогостоящих материалов для пайки, при этом длина паяных швов весьма значительна [37]. Допуски на обработанные по­верхности деталей двигателя Стирлинга, как правило, более жесткие, что является следствием применения замкнутого рабо­чего цикла. Для свободнопоршневых двигателей Стирлинга ка­чество механической обработки является, вероятно, наиболее важным требованием для обеспечения нормальной работы дви­гателя.

Сборка основных механических компонентов двигателя Стирлинга должна производиться с большой тщательностью, особенно сборка уплотняющих устройств. Любая неточность сборки поведет к поломке двигателя. Уплотнение типа «скаты­вающийся чулок» особенно чувствительно к небрежностям сбор­ки, и при установке такого тонкого и хрупкого уплотнения тре­буется особая чистота места сборки.

Таблица 1.13. Время, затрачиваемое на изготовление двигателя (распределение по видам работ)

Доля затраченного времени, %

Вид работ

Двигатель Сгирлннга

Двгт

ГЗБ

СЗБ

Литье Сборка

Механическая обработка

60 30 10

40 20 40

60 10 30

60 20 20

Таблица 1.14. Стоимость произведенного оборудования и (в ценах 1981 г.)

Сооружений

Стоимость, долл./двигатель

Тип оборудования

Двигатель Стирлинга

Двгт

ГЗБ

СЗБ

Оборудование для механической

Обработки (станки) Литейное оборудование Инструмент

Капитальное строительство

590

506 219 405

844

268 219 439

287

223 203 287

371

257 203 318

Суммарные капиталовложения

1720

1770

1000

1149

На изготовление двигателя Стирлинга затрачивается при­близительно такое же время, как и на изготовление других дви­гателей, однако квалификация персонала должна быть выше по упомянутым выше причинам. Хотя время, затрачиваемое при сборке, возможно, и такое же, как при сборке других дви­гателей, распределение этого времени по отдельным операциям будет иным, и, разумеется, это может повлиять на общую стои­мость. Соображения, высказанные в этом кратком обсуждении, подтверждаются данными, приведенными в табл. 1.13 и 1.14. Суммарное время, затрачиваемое на изготовление одного дви­гателя, принято равным 10 ч независимо от типа двигателя.

Из таблиц следует, что, хотя на литье деталей двигателя Стирлинга требуется столько же времени, сколько на литье деталей двигателя с принудительным зажиганием, стоимость ли­тейного оборудования для первого двигателя в два раза выше. Исходя из этого, следует ожидать высоких первоначальных ка­питаловложений, требуемых для строительства заводов двига­телей Стирлинга, и это, вероятно, объясняет сдержанность изго­товителей двигателей при решении вопроса о широкой произ­водственной программе: они ожидают момента, когда отпадут все сомнения в том, что этот двигатель сможет реализовать свои потенциальные преимущества. Причины, по которым стои­мость 1 кВт, развиваемого опытным двигателем Стирлинга ин­дивидуального изготовления, весьма высока, также вполне по­нятны.

Ж. Альтернативные источники энергии

Происшедший энергетический кризис касался только одного источника энергии — сырой нефти и жидких углеводородных топлив, получаемых из нее. За последнее десятилетие (1971— 1981 гг.) результатом кризиса были возрастание в геометриче­ской прогрессии цен на топливо, а также трудность сохранения гарантированных поставок топлива. Однако необходимо по­мнить, что наша планета не располагает неограниченными ре­зервами сырой нефти, хотя пройдет немало лет, прежде чем имеющиеся резервы истощатся настолько, что это окажет замет­ное глобальное воздействие. Кризис усугубился неравномерным распределением нефти по регионам, так что в настоящее время весьма мало стран, которые сами обеспечивают свои потреб­ности в нефти, и совсем немного стран, которые располагают таким количеством, нефти, что имеют большие ее излишки. Большинство стран вынуждено импортировать часть или даже все необходимое им углеводородное топливо, на что уходит зна­чительная сумма иностранной валюты. К 1980 г. 44,6 % мирово­го потребления энергии будет удовлетворяться за счет сырой нефти [60], и это число показывает чудовищную трудность проблемы, которую предстоит решить.

Структура потребления энергии различна в разных странах, однако в качестве примера мы взяли структуру потребления в США, поскольку США потребляет больше энергии, чем любая другая страна. Структура потребления на 1977 г. дана в табл. 1.15 [61].

Потребление жидких углеводородов в США аналогично об­щемировому и составляет 48,8 % общего потребления энергии, что соответствует 795 млн. т/год; 54,5 % этого топлива расхо­дуется на нужды транспорта. США приходится импортировать 50 % требуемого им количества нефти, что составляет около 375 млн. т/год и приводит к затрате многих миллиардов дол­ларов. Естественно, такие затраты побуждают поиск альтерна-

Таблица 1.15. Структура годового потребления энергии в США

Область потребления

Потребление энергии, %

Суммарное

Ископаемое топливо

Жидкие углево­дороды (в том числе)

Торговые предприятия

14,8

13,3

5,8

Жилые здания

21,2

18,9

6,0

Транспорт

28,0

27,9

26,6

Промышленность

36,0

33,1

10,4

Тивных топлив. Однако замена жидких углеводородов в каче­стве источников энергии представляет собой труднейшую зада­чу и потребует многих лет интенсивных исследований и разра­боток. Решению задачи может помочь использование солнечной и геотермальной энергии, энергии ветра, однако развитие этих источников в настоящее время показывает, что в целом они не будут иметь большого значения по меньшей мере до начала будущего столетия. Атомные электростанции и гидроэлектро­станции будут, как предсказывают, к 1990 г. удовлетворять около 15 % энергопотребления. Это означает, что на долю неф­ти останется около 40 % мирового потребления энергии. Одна­ко все эти альтернативные источники окажут незначительное влияние (или вообще его не окажут) на расход нефти на транс­порте, если только не увеличится перевозка грузов по железным дорогам и не будет осуществлена полная электрификация же­лезных дорог. Даже в этом случае проблема снабжения топли­вом безрельсового пассажирского и грузового транспорта оста­ется. Очевидно, имеются три возможных варианта:

1) использование иных, чем нефть, ископаемых топливных ресурсов;

2) использование углеводородов с меньшей степенью очистки;

3) использование синтетических жидких углеводородов.

Вариант 1 связан с многочисленными трудностями, среди ко­торых не последнее место занимает обеспечение энергетическо­го эквивалента 795 млн. т нефти, составляющего 4-1018 Дж. Для обеспечения этого эквивалента необходимы нереально быстрые темпы развития индустрии твердого и газообразного ископаемого топлива. В ближайшем будущем возможно увели­чение производства этих топлив на существующих предприяти­ях, и, хотя это поможет решению проблемы, возникнет другая проблема — как использовать эти виды топлива на современ­ных двигателях.

Ю Зак. 839

Для энергосиловых установок с внешним подводом тепла, таких, как двигатели Стирлинга и паровые машины, это не со­ставило бы трудностей. Проблему в основном можно решить и для мощной стационарной газовой турбины. Другие рассматри­ваемые двигатели не так легко приспособить к альтернативным топливам, что видно из табл. 1.16 [62], где знак X обозначает возможность использования данного топлива, знак ОХ — проб­лематичную возможность такого использования, а прочерк озна­чает, что топливо не может быть использовано.

Таблица 1.16. Приспособленность двигателей к различным видам топлива

Авиационная

Вид топлива ГЗБ СЗБ газовая Дизель

Турбина

На основе угля

TOC o "1-3" h z Смесь угольной пыли и остат — — — — ОХ

Ков перегонки нефти

Смесь угольной пыли и метанола — — — ОХ

Жидкое топливо на основе угля

Бензин XX — —

Смесь дизельного топлива и — X — X

Топлива для реактивной авиа­ции

Тяжелое топливо (мазут) — — X

Жидкое топливо из сланцев

Бензин XX — X

Смесь дизельного топлива и — X — X топлива для реактивной авиа­ции

Топливо на основе нефтеоргани — — X XX ческих отходов

Метанол XX XX

Водород XX XX

Метан XX XX

Данные табл. 1.16 свидетельствуют, что ситуация не слиш­ком обнадеживающая, и похоже, что времени для улучшения ситуации в случае варианта 1 не так уж много.

Вариант 2 получил определенную поддержку в популярной прессе, однако октановое и цетановое числа таких углеводоро­дов недостаточны для надежной работы существующих двигате­лей. Даже если эти двигатели удастся приспособить для рабо­ты на этих топливах, экономия энергии будет не столь значи­тельна, как это кажется на первый взгляд. Подсчитано, что при использовании менее очищенных углеводородов экономия

Энергии составит не более 3,8 % [53], и, поскольку использова­ние таких топлив отрицательно скажется на удельных расходах топлива и на содержании выбросов в атмосферу, этот вариант также не является решением проблемы.

Таким образом, единственный вариант, который остается,— это производство синтетических жидких углеводородов, т. е. углеводородов, получаемых не из ископаемой нефти, а, напри­мер, из угля, горючих сланцев, смолистых песков. К недостат­кам этого варианта следует отнести большие затраты энергии на процесс получения синтетических топлив. Например, жидкое топливо, получаемое из угля, особенно предназначенное для двигателя с принудительным зажиганием, теряет в процессе своего производства до 40 % энергии, содержащейся в источни­ке, из которого оно получено. Однако производство топлива из угля, предназначенное для двигателя Стирлинга, не требует сложной технологии, и на получение такого топлива затрачива­лось бы существенно меньше энергии. Из сказанного следует, что для подсчета общего термического КПД установки, работа­ющей на синтетическом топливе, необходимо учитывать также КПД преобразования первоначального вида энергии в ее вид, пригодный для использования в данной установке. Результаты таких расчетов представлены в табл. 1.17 [63].

Таблица 1.17. Термические КПД, характеризующие преобразование энергии заключенной в источнике топлива, в полезную работу на выходе из двигателя

КПД пре­образова­ния энергии источника в энергию топлива, %

Тип

Двигателя

Источник топлива

Синтетическое топливо

КПД Общий двигателя, КПД,

Бензин

Сырая нефть » Уголь

» Сланцевое мас­

Ло

Дизельное топ — Сырая нефть ливо

То же Сланцевое мас­

Ло

Продукты пере — Сырая нефть гонки

То же То же

» »

Уголь

90 55 65

92

67

94

94 94

67 70

Сланцевое мас-

ГЗБ СЗБ СЗБ

ТНД

Тнд

Газовая тур­бина СЗБ

Двигатель Стерлинга

То же

16 18 18

20

22

20

23 25

25 25

144 9,9 11,7

18.4

14.7

18.8

21,6

23.5

16,8 17,5

» »

По этим результатам вариант 3 представляется более при­влекательным, за исключением того, что все перспективные дви­гатели, для которых получены удовлетворительные результа­ты,— двигатели с принудительным зажиганием и слоистым за­рядом, дизели с турбонаддувом, двигатели Стирлинга и газовые турбины,— требуют значительных капиталовложений для произ­водства в объемах, обеспечивающих их рентабельность. В мо­дифицированном варианте 3 рассмотрена возможность использо­вания горючих смесей, составленных из синтетического топлива и бензина, полученного из нефти. Одна такая смесь испы — тывалась в условиях эксплуатации — это газохол (10% этано­ла, полученного из гранулированного сырья, и 90 % неэтилиро­ванного бензина). Результаты испытаний показали, что эта смесь имеет свойства, почти идентичные свойствам бензина, со­ставляющего ее основу, и обеспечивает почти те же рабочие ха­рактеристики двигателя, что и бензин, а несколько меньший энергетический потенциал единицы объема смеси перекрывается ее более высоким октановым числом. Можно также использо­вать смеси бензина с метанолом [61].

Использование смесей, однако, лишь в незначительной степени снизит остроту проблемы импорта нефти, а именно пропорционально процентному содержанию синтетического топ­лива в смеси. В то же время капиталовложения, необходимые для строительства заводов по производству сравнительно не­большого количества таких смесей, превысили бы возможности малых стран и даже многих многонациональных компаний. На­пример, согласно оценкам, для производства 17,2 млн. т/год газохола к 1990 г. (иными словами, всего 2 % общей потребно­сти в жидких углеводородах) понадобилось бы не менее 10 млрд. долл. Этот расчет выполнен для смеси этанола с бен­зином в отношении 5 : 95, так что общее количество потребляе­мой нефти уменьшится на величину, составляющую 5 % от 2 %, т. е. на 0,1 %. С учетом современных цен на нефтепродукты та­кое строительство обойдется в 20 раз дороже, чем закупка со­ответствующего количества нефти.

Из сказанного следует, что, хотя необходимость заставляет искать альтернативные источники топлива, потребуются колос­сальные капиталовложения, чтобы эти источники смогли оказы­вать хоть какое-то влияние на структуру потребления топлива вплоть до конца первой четверти следующего столетия, в осо­бенности синтетические топлива. Тяжелые нефтяные топлива и уголь смогут оказать некоторое влияние на структуру потреб­ления топлива стационарными силовыми установками как ма­лой, так и большой мощности. Для транспортных силовых уста­новок единственным выходом из положения остается снижение расхода топлива, причем это относится не только к автомоби­лям, но и к морским судам, где 72 % бортовых силовых устано­вок составляют дизельные двигатели [60]. Сокращение норм потребления топлива, как уже говорилось, только частично раз­решает проблему: двигатели с существенно меньшим расходом топлива окажут большее влияние на решение проблемы эконо­мии энергии, особенно если они будут способны работать на различных видах топлива. Двигатель Стирлинга продемонстри­ровал, что уже на современном этапе своего развития он может обеспечить существенную экономию топлива. Однако с учетом интенсивности проводимых в настояшее время исследователь­ских и конструкторских разработок эта экономия может быть еще больше. Фирма «Форд» к моменту завершения своей про­граммы работ по двигателям Стирлинга прогнозировала, что с уровнем достоверности 73 % можно ожидать снижения расхода топлива на 38 %, а с уровнем достоверности 52 % —на 81 % [40].

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *