Двигатель горячего воздуха [1] (исторически называемый воздушным двигателем или тепловым двигателем [2] ) — это любой тепловой двигатель , который использует 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 открытого цикла, такие как у сэра Джорджа Кейли [3] и Джона Эрикссона [4] , так 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 .
.jpg/1280px-Thinktank_Birmingham_-_object_1961S01481.00001(1).jpg)
Термин «двигатель горячего воздуха» специально исключает любой двигатель, выполняющий термодинамический цикл , в котором рабочая жидкость претерпевает фазовый переход , такой как цикл Ренкина . Также исключаются обычные двигатели внутреннего сгорания , в которых тепло добавляется к рабочей жидкости путем сгорания топлива в рабочем цилиндре. Типы непрерывного сгорания, такие как Ready Motor Джорджа Брайтона и связанная с ним газовая турбина , можно рассматривать как пограничные случаи.
Свойство нагретого воздуха расширяться было известно древним. В «Пневматике» Герона Александрийского описываются устройства, которые могли использоваться 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 в Королевскую академию наук в Париже отчет о своем изобретении: колесе, которое вращалось под действием тепла. [6] Колесо было установлено вертикально. Вокруг ступицы колеса находились заполненные водой камеры. Заполненные воздухом камеры на ободе колеса нагревались огнем под одной стороной колеса. Нагретый воздух расширялся и через трубки вытеснял воду из одной камеры в другую, выводя колесо из равновесия и заставляя его вращаться.
Видеть:
Вероятно, что воздушный двигатель Роберта Стирлинга 1818 года, который включал его инновационный экономайзер (запатентованный в 1816 году), был первым воздушным двигателем, примененным на практике. [11] Экономайзер, теперь известный как регенератор , сохранял тепло из горячей части двигателя, когда воздух проходил 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 .
Стерлинг запатентовал второй двигатель горячего воздуха вместе со своим братом Джеймсом в 1827 году. Они перевернули конструкцию так, чтобы горячие концы вытеснителей находились под механизмом, и добавили насос сжатого воздуха, чтобы воздух внутри мог быть увеличен под давлением примерно до 20 атмосфер. По утверждению Чемберса, это не удалось из-за механических дефектов и «непредвиденного накопления тепла, не полностью извлеченного ситами или небольшими проходами в холодной части регенератора, внешняя поверхность которого была недостаточно большой, чтобы отбрасывать невосстановленное тепло, когда двигатель работал с сильно сжатым воздухом».
Паркинсон и Кроссли, английский патент, 1828, придумали свой собственный двигатель горячего воздуха. В этом двигателе воздушная камера частично подвергается, погружением в холодную воду, внешнему холоду, а ее верхняя часть нагревается паром. Внутренний сосуд движется вверх и вниз в этой камере и при этом вытесняет воздух, попеременно подвергая его горячему и холодному влиянию холодной воды и горячего пара, изменяя его температуру и расширяющееся состояние. Колебания вызывают возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре, к концам которого попеременно присоединена воздушная камера.
В 1829 году Арнотт запатентовал свою машину для расширения воздуха, в которой огонь размещается на решетке около дна закрытого цилиндра, а цилиндр наполняется свежим воздухом, недавно впущенным. Свободный поршень тянется вверх, так что весь воздух в цилиндре сверху будет проходить по трубке через огонь и получит повышенную эластичность, стремящуюся к расширению или увеличению объема, которое огонь способен ему дать.
За ним в следующем году (1830) следует капитан Эрикссон, который запатентовал свой второй двигатель горячего воздуха. В спецификации он описывается более подробно, как состоящий из «круглой камеры, в которой конус вращается на валу или оси с помощью лепестков или крыльев, попеременно подвергающихся давлению пара; эти лепестки или крылья работают через щели или отверстия круглой плоскости, которая вращается наклонно и, таким образом, удерживается в контакте со стороной конуса».
Эрикссон построил свой третий двигатель на горячем воздухе (тепловой двигатель) в 1833 году, «который вызвал такой большой интерес несколько лет назад в Англии; и который, если его удастся ввести в практическую эксплуатацию, окажется самым важным механическим изобретением, когда-либо задуманным человеческим разумом, и который принесет большую пользу цивилизованной жизни, чем любое из когда-либо существовавших до него. Ведь его целью является производство механической энергии посредством тепла при расходе топлива настолько чрезвычайно малом, что человек будет иметь в своем распоряжении почти неограниченную механическую силу в регионах, где сейчас можно сказать, что топливо едва ли существует».
В 1838 году был получен патент на двигатель Франшо, работающий на горячем воздухе, который, несомненно, лучше всего соответствовал требованиям Карно.
До сих пор все эти воздушные двигатели были неудачными, но технология совершенствовалась. В 1842 году Джеймс Стирлинг, брат Роберта, построил знаменитый двигатель Данди Стирлинга. Этот просуществовал по крайней мере 2–3 года, но затем был снят с производства из-за ненадлежащих технических приспособлений. Двигатели горячего воздуха — это история проб и ошибок, и потребовалось еще 20 лет, прежде чем двигатели горячего воздуха смогли использоваться в промышленных масштабах. Первые надежные двигатели горячего воздуха были построены Шоу, Ропером, Эрикссоном. Было построено несколько тысяч таких двигателей.
Горячие двигатели нашли применение на рынке перекачивания воды (в основном в бытовые резервуары с водой), поскольку впускная вода обеспечивала холод, необходимый для поддержания разницы температур, хотя они нашли и другое коммерческое применение.
Термодинамический цикл двигателя горячего воздуха может (в идеале) состоять из 3 или более процессов (обычно 4). Процессы могут быть любыми из следующих:
Вот некоторые примеры (не все циклы горячего воздуха, как определено выше):
Еще одним примером является цикл Вюйемье . [17]
