Двигатели стирлинга

АККУМУЛЯТОРЫ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Любой материал, который быстро воспринимает тепло и за­тем сохраняет его в течение достаточно долгого времени, может быть использован в качестве аккумулирующей среды. Суще­ствует много таких веществ, но в системе с двигателем Стир­линга энергию следует запасать и хранить в интервале темпе­ратур 600—1000°С, причем для всех практических целей акку­мулирующий материал должен обладать высокой массовой и объемной способностью аккумулировать энергию. Такие усло­вия существенно сужают возможности выбора. Энергия, отби­раемая от аккумулирующей установки, используется затем в качестве источника тепла для двигателя. Для передачи тепла от аккумулирующей установки к нагревателю двигателя Стир­линга можно использовать непосредственно процесс теплопро­водности, для чего трубы нагревателя следует погрузить в ак­кумулирующую среду. Такой метод удобен, но, к сожалению,

Он связан с конструкционными трудностями. Поэтому часто для соединения аккумулятора с нагревателем используют проме­жуточный теплопередающий аппарат, такой, как тепловая труба. Как только теплосодержание или температура аккумули­рующего материала становятся ниже рабочих значений, опреде­ляемых рабочими характеристиками двигателя Стирлинга, ак­кумулятор перезаряжается от первичного источника тепла. Aks кумулятор при этом является тепловым эквивалентом обычной электрической батареи, и поэтому его часто называют тепловым аккумулятором или термобатареей. Схема рассматриваемой си­стемы приведена на рис. 5.1.

Тепловую энергию можно запасти в виде теплосодержания или скрытой теплоты фазового перехода. В первом случае при отборе тепла температура аккумулирующей среды, а следова­тельно, и труб нагревателя понижается. При этом характери­стики двигателя ухудшаются. В системе аккумулирования с ис­пользованием скрытой теплоты фазового перехода при передаче энергии не обязательно происходит снижение температуры, т. е. такая система имеет определенные преимущества. Тем не ме­нее, если теплоемкость материала аккумулятора достаточно вы­сока, то аккумулирование, основанное на теплосодержании, практически более оправданно, поскольку фазовые переходы со­провождаются большими изменениями объема, а это налагает особые конструкционные ограничения на аккумулирующую установку.

Ниже перечислены требуемые свойства аккумулирующих ма­териалов (по-видимому, нет такого вещества, которое отвечало бы всем этим требованиям):

1) высокая удельная теплоемкость;

2) высокая плотность;

3) химическая стойкость;

4) совместимость с существующими материалами (металла­ми) аккумулирующей емкости;

5) нетоксичность;

6) невоспламеняемость;

7) быстрая перезарядка (высокая эффективность зарядки);

8) низкая стоимость;

9) наличие готового материала (возможность его получе­ния) .

Большинство указанных свойств понятно само по себе, за исключением, возможно, эффективности зарядки, которая была •определена следующим образом [4]:

, /Накопленное тепло Л, г

Эффективность зарядки = [ Подведенное тепло )вРем, (51>

Зарядки

Этот коэффициент приобретает различную степень важности в зависимости от применения. В соответствии с приведенными требованиями рассмотрены различные смеси, и в результате установлено, что наилучшими аккумулирующими материалами являются соединения лития [4—6]. Из многих его соединений лучшие показатели оказались у фторида лития LiF и у смеси солей фторидов лития и магния LiF—MgF2. Рассмотрение воз­можных материалов для термоаккумулирующих установок, а таюке их достоинств и недостатков выходит за рамки данной книги. Соответствующие данные можно найти в литературе, на­пример в уже упомянутой работе [7]. Нас же более интересует сама система аккумулятор тепловой энергии — двигатель Стир­линга.

Приведенная на рис. 5.1 система является реальной систе­мой, за исключением лишь того, что в ней еще должен цирку­лировать жидкий металл, являющийся теплоносителем. Как по­казано на рис. 5.1, аккумулирующая установка может заря­жаться от многих тепловых источников. В некоторых случаях удобно включать в состав системы зарядное устройство. В 60-е годы устройство для аккумулирования, основанное на теплосо­держании, было установлено на разработанный фирмой «Дже­нерал моторе» автомобиль «Кальвер» [8]. В качестве тепло - поглощающего материала использовалась окись алюминия, а в качестве теплоносителя — азот. Аккумулирующая установка заряжалась от горелки на природном газе. Хотя эта установка в техническом смысле оказалась удачной, имела превосходные характеристики и диапазон электрической тяги машины, но она была слишком большой по массе и дорогой, а поэтому и неконкурентоспособной в «золотой век» дешевых ископаемых топлив. Машина «Кальвер» продемонстрировала работоспособ­ность системы аккумулятор — двигатель Стирлинга, но выбор аккумулирующего материала, теплоносителя и зарядного устройства не соответствует достижениям современной техно­логии. Этот выбор был сделан в соответствии с состоянием тех­нологии того времени. В последующих разработках фирмы «Дженерал моторе» городского автобуса предусматривалось ис­пользование более совершенного аккумулирующего материала LiF, а также многослойной вакуумной изоляции бака и электри­ческой зарядки [9]. Последняя особенно актуальна сейчас, в век электричества.

Проект автобуса начал разрабатываться в 70-х годах, и, следовательно, результаты несколько устарели. Тем не менее интересно сравнить систему аккумулятор — двигатель Стирлин­га с эквивалентной системой с электрической батареей, посколь­ку обе системы за последнее десятилетие претерпели аналогич­ные технологические изменения. Такое сопоставление (табл. 5.1

И 5.2) остается актуальным н в наши дни. В табл. 5.1 сравни­ваются системы с одинаковым сроком службы; в табл. 5.2 — с одинаковой массой.

Особенно впечатляют данные для системы с двигателем Стирлинга. Такие установки могут быть общественным или лич­ным транспортом, и их можно заряжать накануне вечером или в периоды бездействия днем. Тогда, если не все станции за­рядки работают на жидком топливе, зависимость от этого топ­лива снижается. Нет оснований считать такой вид транспорта предназначенным для передвижения только в пределах города, так как новые аккумулирующие материалы позволяют увели­чить длительность пробегов. Способность к аккумулированию электрической энергии весьма важна при подводных работах, например на подводных устройствах для разведки нефти, к ко­торым в настоящее время энергия подводится от электрических батарей или от внешних источников питания по кабелям. Можно считать поэтому, что такие зарядные устройства уже суще­ствуют, поскольку из 47 океанских разведочных погружных устройств [10] 44 питаются от батарей. В таких устройствах можно применять двигатели Стирлинга как с термоаккумулиро­ванием, так и без него. Эти методы будут рассмотрены далее.

Фирма «Дженерал моторе» [5] провела исследования по применению термоаккумулирования в подводных устройствах. Были использованы контейнеры с солью лития с погруженными в них трубами нагревателя, которые обеспечивали непосред­ственный обогрев за счет теплопроводности. Неизвестно, была ли сооружена и испытана система в целом, но термоаккумули - рующая установка была не только сооружена, но и испытана. Для определения характеристик всей системы были использо­ваны данные о работе других двигателей Стирлинга этой фир­мы. Имеются сообщения об испытаниях по определению скоро­сти разрядки теплового аккумулятора при использовании различных теплоизолирующих материалов, но, к сожалению, не приведены данные о времени и эффективности зарядки. Иссле­дуемые фирмой «Дженерал моторе» системы оцениваются как по массовым, так и по объемным характеристикам. Последнее особенно важно при наличии ограничений на объем, например при использовании в военных целях или в космосе. Результаты расчетов на ЭВМ характеристик системы двигатель Стирлин­га— тепловой аккумулятор приведены на рис. 5.2, а экспери­ментальные данные по термоаккумулированию для такой си­стемы— на рис. 5.3. Из последнего графика следует, что при соответствующей теплоизоляции тепловая энергия может со­храняться в течение продолжительного времени на соответ­ствующем температурном уровне. В рассмотренном случае даже спустя 6 сут после зарядки аккумулятор сохранял 78 % перво-

25 Зак. 839

Совершенно очевидны преимущества системы с двигателем Стир­линга. Еще одним требующим внимания фактором является создание системы жизнеобеспечения на борту таких океаногра­
фических погружных устройств. Для погружений на глубину более 60 м необходим обогрев всего внутреннего пространства погружного устройства, а при использовании автономной систе­мы жизнеобеспечения водолаза потребуется дополнительное тепло для поддержания внутри водолазного костюма подходя­щей рабочей температуры. В системе с батареями для этого нужна дополнительная энергия, в то время как в системе с дви-

100

Врсмя работы, ч

Рис. 5 4 Сравнение различных подводных энергетических установок мощ­ностью 50 кВт [5].

Гателем Стирлинга можно использовать тепло охладителя. Фир­мы «Юнайтед Стирлинг» и «Комекс», скорее всего, применяют аналогичную систему жизнеобеспечения водолазов.

В последнее время рассматриваются новые типы тепловых и электрических батарей и проводятся их испытания. Заинтере­сованные читатели могут найти информацию по этим вопросам в «Трудах конференции международного общества по преобра­зованию энергии в технике» за 1977—1981 гг. Имеющиеся вто­ричные источники энергии сравниваются в табл. 5.3 [11].

В одном из последних исследований автомобильной системы с двигателем Стирлинга и тепловым аккумулированием [7], имеющей дальность пробега 160 км при скорости 68 км/ч, сде­ланы выводы о том, что такая система сопоставима по стои­мости с лучшей системой с электрическими батареями и элек­троприводом и что она будет конкурентоспособна с двигателем

Таблица 5.3. Вторичные источники тепловой энергии (1 кВт-ч)

Объем по Объем, л отношению к LiF

Фторид лития (LiF) Гидрид лития Гидроокись лития Серебряно-цинковые батареи

С принудительным зажиганием, если цена бензина возрастет до 0,82 долл./л.

Такие цены уже установлены во многих западных странах (но не в США). Поэтому использование теплового аккумули­рования представляется экономически и технически более оправ­данным для небольших погружных устройств и малогабарит­ных автомобилей. В то же время из опыта разработки тепловых аккумуляторов фирмой «Дженерал моторе» следует, что такие системы лучше подходят для более крупных энергосиловых установок, чем используемые на автомобилях, а именно для энергосиловых установок локомотивов и подводных лодок сред­него размера. Энергосиловая установка на основе системы с тепловым аккумулированием и двигателем Стирлинга мощ­ностью 1 МВт при емкости теплового аккумулятора 44 МВт-ч обеспечивает в 8,34 раза больше энергии для погружных устройств, чем электрическая система той же массы на свин - цово-кислотных батареях.