Motoarele cu ardere externă sunt o clasă de motoare în care sursa de căldură sau procesul de ardere a combustibilului este separată de fluidul de lucru . În acest caz, fluidul de lucru care circulă în motor este încălzit în afara motorului și datorită acestui lucru funcționează. Fluidul de lucru poate fi apă și vapori de apă (motoare cu abur și turbine cu abur), sau gaze nobile (motor Stirling). Alegerea unor astfel de substanțe se datorează costului scăzut, capacității termice suficiente a fazei de vapori (apa), sau agresivității chimice scăzute și unui factor de putere ridicat în ecuația de stare a gazului (1,66 pentru gazele monoatomice). În ciuda eficienței ridicate a turbinelor cu abur cu mercur, utilizarea lor în sectorul energetic este limitată din cauza toxicității chimice a mercurului .
Motoarele cu ardere externă sunt utilizate pe scară largă în producția de energie electrică (atât centralele termice , cât și centralele nucleare sunt echipate cu turbine cu abur ), precum și în cazul recuperării căldurii ( motoare Stirling ). În domeniul transporturilor, utilizarea lor s-a redus semnificativ în ultimul secol: mașinile cu abur au dispărut de pe străzi , locomotivele cu abur rămase sunt folosite în principal pe căile ferate din țările lumii a treia [1] .
Fiind din punct de vedere istoric primele motoare de transport și termice industriale, motoarele cu ardere externă au făcut posibilă revoluția industrială . Locomotivele cu abur și bărcile cu aburi , care au apărut în număr mare în secolul al XIX-lea , au schimbat complet transportul mondial, iar extracția cărbunelui pentru a le furniza combustibil a crescut volumul de muncă al industriei miniere.
Întrucât două treimi din energia electrică a lumii este generată în stațiile termice în principal cu ajutorul turbinelor cu abur, iar căldura este generată și la centralele nucleare cu ajutorul acestora, motoarele cu ardere externă vor rămâne primele în ceea ce privește capacitatea instalată în industria energetică mondială. pentru mult timp de acum înainte [2] [3] .
Inventat în secolul al XVII-lea de către fizicianul francez Papin , era un cilindru cu un piston care se ridica sub acțiunea aburului și cădea sub presiunea atmosferică după ce aburul de evacuare s-a îngroșat. Motorul cu abur Severi inventat în 1698 a funcționat pe același principiu pentru pomparea apei din mine (care nu aveau piston) [4] . Ceva mai târziu, în 1705 , Thomas Newcomen , împreună cu sticlarul - corticator John Colley , tot din Dartmouth, au construit un motor cu abur atmosferic , care se deosebește de motorul lui Severi prin prezența unui cilindru cu piston , si prin faptul ca condensarea ( condensarea ) aburului se realiza prin turnarea cilindrului in exterior cu apa . James Watt a îmbunătățit semnificativ o astfel de mașină în 1769 (bobine în loc de comutare manuală, dublă acțiune, manivelă) [5] . O altă îmbunătățire semnificativă a motorului cu abur (utilizarea aburului de înaltă presiune în loc de vid pe cursa de lucru) a fost făcută de americanul Oliver Evans în 1786 și englezul Richard Trevithick în 1800 . Puterea specifică a unor astfel de mașini a crescut atât de mult încât a făcut posibilă instalarea unor astfel de motoare în transport. Așa a apărut calea ferată [6] . Pe lângă utilizarea în transportul terestre, au existat încercări de a instala un motor cu abur pe un avion - proiectul Mozhaisky ).
Primul motor cu abur din Rusia a fost lansat în 1766 (proiectat de iobagul Ivan Polzunov ). Mașina lui Polzunov avea doi cilindri cu pistoane, funcționau continuu și toate acțiunile din ea aveau loc automat. [7] . În 1769, primul cărucior cu aburi a fost construit de francezul Nicholas-Joseph Cugno , iar în 1788, John Fitch a construit o navă cu aburi [6] . În toate mașinile, arderea era efectuată într-un cuptor, astfel încât toate erau motoare cu ardere externă. Cu toate acestea, în prezent, motoarele cu abur alternative sunt folosite foarte rar .
A fost construit pentru prima dată de Heron în secolul I î.Hr.; cu toate acestea, în această formă a fost mai degrabă o curiozitate . Dezvoltarea turbinelor cu abur a fost îngreunată de lipsa rulmenților fiabili , care să reziste la viteze mari de rotație, iar randamentul turbinelor la viteze mici și eficiența lor (COP) au scăzut brusc, motiv pentru care nu au fost utilizate. Prima turbină industrială, care avea o viteză de 30.000 rpm, a fost dezvoltată de Pierre Laval . Datorită vitezei uriașe de rotație, avea o cutie de viteze de câteva ori mai mare decât ea ca dimensiune [8] . Ulterior s-a observat că odată cu creșterea puterii (și a dimensiunii roții), viteza de rotație calculată a turbinei scade, astfel încât utilizarea acesteia în unitățile de mare putere este simplificată. Astfel de angrenaje turbo au devenit larg răspândite, înlocuind motoarele cu abur de pe navele de război (datorită masei lor mai mici). Dar eficiența scăzută la putere parțială a împiedicat mult timp instalarea lor pe navele de transport (a fost necesar să se aplice scheme sofisticate cu turbine de putere diferită pentru viteze diferite). Cu toate acestea, turbina Parsons îmbunătățită este încă utilizată pe scară largă în generarea de energie electrică la centralele termice și centralele nucleare. Când funcționează într-un interval de viteze îngust, poate avea o eficiență destul de ridicată, iar atunci când este utilizat în prima etapă a turbinelor cu gaz , poate depăși chiar și un motor cu ardere internă cu piston în eficiență totală . Turbinele cu abur sunt mult mai ușoare decât motoarele cu abur alternative.
Inventat în 1816 de un preot scoțian sărac, în vârstă de 26 de ani , Stirling , ghidat de considerente caritabile (reducerea rănilor datorită presiunii mai mici) [9] . Cu materialele și tehnologiile din acea vreme, nu a putut fi implementat eficient (era inferioară ca putere), iar până în secolul al XX-lea a fost puțin folosit. Folosit în prezent pentru recuperarea căldurii; instalat pe cele mai recente submarine și nave spațiale [10] . Motorul Stirling este utilizat în prezent cu succes pentru cogenerare la putere redusă (până la 100 kW), această aplicație fiind facilitată de calități economice și de mediu ridicate. Cu toate acestea, astfel de motoare sunt destul de scumpe [11] . Eficiența motorului Stirling este cea mai mare dintre toate motoarele cu ardere externă.
În funcție de cerințele pentru dispozitivul în curs de dezvoltare, pot fi utilizate diferite tipuri de motoare. Criteriile importante de selecție sunt: tipul de combustibil consumat, puterea specifică admisibilă (motoarele cu o putere specifică suficient de mare sunt necesare în transport), eficiența, inclusiv la sarcini parțiale, necesitatea unei transmisii (de exemplu, motoarele cu piston cu abur de obicei nu aveau nevoie de it), preț.
Avantajul întregii linii de motoare cu ardere externă este capacitatea de a utiliza teoretic orice combustibil sau căldură obținută în orice mod (reflectoare solare, reactoare nucleare, căldură de descompunere izotopică). Cu toate acestea, în funcție de designul unui anumit motor, această alegere este mai mult sau mai puțin limitată. În plus, în multe cazuri, utilizarea unui combustibil mai accesibil, datorită naturii sale, reduce eficiența și/sau crește necesarul de personal.
De exemplu, bărcile cu aburi și locomotivele cu abur care lucrau pe cărbune necesitau un pompier sau pompieri pentru a-l încărca, iar pe navele mari echipele lor, ținând cont de turele libere, ajungeau la câteva sute de oameni. Și din cauza dificultăților de dozare precisă și a eterogenității arderii, eficiența cazanelor pe cărbune a fost întotdeauna inferioară cazanelor pe ulei, care, în plus, nu necesitau aprovizionare.
Dezavantajele unor astfel de motoare sunt complexitatea relativă și greutatea crescută (acești factori sunt redusi semnificativ de cei mai forțați pentru cazanele cu tub de apă care funcționează cu combustibili lichizi, dar astfel de motoare, la rândul lor, sunt inferioare ca eficiență față de motoarele diesel ), cauzate de prin necesitatea transferului de căldură din camera de ardere către fluidul de lucru. În cazul cazanelor suficient de încăpătoare, astfel de motoare necesită timp pentru a dilua aburul sau pentru a menține temperatura și presiunea de funcționare cu prețul cărbunelui. Motoarele cu abur și turbinele care folosesc vapori de apă sunt sensibile la îngheț și necesită izolarea termică a rezervoarelor de apă, conductelor de realimentare și rezervoarelor din stații și au aproape întotdeauna o eficiență mai mică decât motoarele clasice cu ardere internă .