Двигатель горячего воздуха [1] (исторически называемый воздушным двигателем или калорическим 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 с открытым циклом, такие как устройства сэра Джорджа Кэли [3] и Джона Эрикссона [4], так и двигатель с замкнутым циклом 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 рабочее тело претерпевает фазовый переход , такой как цикл Ренкина . Исключаются также обычные двигатели внутреннего сгорания , в которых теплота добавляется к рабочему телу за счет сгорания топлива внутри рабочего цилиндра. Типы непрерывного сгорания, такие как Ready Motor Джорджа Брайтона и связанная с ним газовая турбина , можно рассматривать как пограничные случаи.
Расширяющее свойство нагретого воздуха было известно еще древним. В «Пневматике» героя Александрийского описаны устройства, которые можно было использовать 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 Королевской академии наук в Париже отчет о своем изобретении: колесе, которое был вынужден вращаться под действием тепла. [6] Колесо было установлено вертикально. Вокруг ступицы колеса находились камеры, заполненные водой. Заполненные воздухом камеры на ободе колеса нагревались огнем под одной стороной колеса. Нагретый воздух расширялся и по трубкам перегонял воду из одной камеры в другую, выводя колесо из равновесия и заставляя его вращаться.
Видеть:
Вполне вероятно, что воздушный двигатель Роберта Стирлинга 1818 года, в котором использовался его инновационный экономайзер (запатентованный в 1816 году), был первым воздушным двигателем, примененным на практике. [11] Экономайзер, теперь известный как регенератор , аккумулировал тепло от 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 .
Стирлинг вместе со своим братом Джеймсом запатентовал второй двигатель с горячим воздухом в 1827 году. Они перевернули конструкцию так, чтобы горячие концы вытеснителей находились под оборудованием, и добавили насос сжатого воздуха, чтобы давление воздуха внутри могло повышаться до около 20 атмосфер. Чемберс утверждает, что этот проект не увенчался успехом из-за механических дефектов и «непредвиденного накопления тепла, не полностью отведенного ситами или небольшими проходами в прохладной части регенератора, внешняя поверхность которого была недостаточно велика, чтобы отводить неутилизированное тепло, когда двигатель работал на сильно сжатом воздухе».
Паркинсон и Кроссли, английский патент, 1828 г. изобрели собственный двигатель горячего воздуха. В этом двигателе воздушная камера при погружении в холодную воду частично подвергается воздействию внешнего холода, а ее верхняя часть нагревается паром. Внутренний сосуд движется в этой камере вверх и вниз и при этом вытесняет воздух, попеременно подвергая его горячему и холодному воздействию холодной воды и горячего пара, изменяя его температуру и состояние расширения. Колебания вызывают возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре, к концам которого попеременно соединена воздушная камера.
В 1829 году Арнотт запатентовал свою машину расширения воздуха, в которой огонь размещается на решетке возле дна закрытого цилиндра, а цилиндр наполнен недавно поступившим свежим воздухом. Свободный поршень вытягивается вверх, так что весь воздух в цилиндре выше проходит по трубке через огонь и приобретает повышенную эластичность, имеющую тенденцию к расширению или увеличению объема, который огонь способен ему придать. .
В следующем году (1830 г.) за ним последовал капитан Эрикссон, который запатентовал свой второй двигатель горячего воздуха. В спецификации он описывается более конкретно как состоящий из «круглой камеры, в которой конус вращается на валу или оси с помощью створок или крыльев, поочередно подвергающихся давлению пара; эти крылья или листья заставляют работать через прорези или отверстия в круглой плоскости, которая вращается под углом и, таким образом, удерживается в контакте со стороной конуса».
Эрикссон построил свой третий двигатель горячего воздуха (калорический двигатель) в 1833 году, «который вызвал такой большой интерес несколько лет назад в Англии; и который, если он будет введен в практическую эксплуатацию, окажется самым важным механическим изобретением, когда-либо задуманным человеческий разум, и который принесет большую пользу цивилизованной жизни, чем любая другая, когда-либо предшествовавшая ей, ибо цель этого процесса — производство механической энергии с помощью тепла при затрате топлива настолько ничтожно малом, что человек иметь в своем распоряжении почти неограниченную механическую силу в регионах, где сейчас можно сказать, что топлива почти нет».
В 1838 году был получен патент на термовоздушный двигатель Франшо, который, безусловно, лучше всего соответствовал требованиям Карно.
До сих пор все эти воздушные двигатели не имели успеха, но технология развивалась. В 1842 году Джеймс Стирлинг, брат Роберта, построил знаменитый двигатель Данди Стирлинга. Этот просуществовал как минимум 2-3 года, но затем был снят с производства из-за неправильных технических решений. Двигатели горячего воздуха — это история проб и ошибок, и потребовалось еще 20 лет, прежде чем двигатели горячего воздуха можно было использовать в промышленных масштабах. Первые надежные двигатели горячего воздуха были построены Шоу, Ропером, Эрикссоном. Их было построено несколько тысяч.
Горячие двигатели нашли рынок для перекачки воды (в основном в бытовой резервуар для воды), поскольку впуск воды обеспечивал 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:
Некоторые примеры (не все циклы горячего воздуха, как определено выше) следующие:
Еще один пример — цикл Вийемье . [17]
