Двигатели стирлинга

СЖИГАНИЕ МЕТАЛЛОВ

С точки зрения характеристик энсргоспловых установок ак­кумуляторы тепловой энергии, если не считать их специальных применений, имеют мало преимуществ (или не имеют их во­обще) по сравнению с обычными системами на ископаемом топливе. Но если основными требованиями являются снижение уровня загрязнения окружающей среды и независимость от жидкого топлива, то более подходящими следует считать уста­новки с тепловыми аккумуляторами. Удачным решением пред­ставляется также использование тепловых аккумуляторов в под­водных системах, хотя при этом возникает ограничение по вре­мени действия или скорости. Поэтому в автономных подводных устройствах необходимо размещать первичный источник энер­гии. В этих условиях выгодно использовать жидкие металлы, но не в качестве аккумулирующей тепло среды, а в качестве топлива. Желательно иметь топливо, реагирующее с морской
водой, аналогично тому, как в земных условиях топлива реаги­руют с воздухом. Такими реагирующими с водой топливами являются литий и натрий. Следовательно, если заменить угле­водородное топливо в реакции горения, то будет происходить реакция сгорания металла. Иногда невозможно и нежелательно в качестве «окислителя» использовать морскую воду. Тогда для обеспечения протекания необходимой реакции можно использо­вать газы. Детальный обзор таких реагирующих смесей пред­ставлен в работах [12, 13]. Системы со сжиганием металла можно использовать для генерации пара или нагрева газа для газовых турбин с замкнутым рабочим циклом. Но в данном разделе, как и в предыдущем, рассмотрение ограничивается только теми смесями жидкого металла и окислителя, которые особенно привлекательны для применения в двигателе Стир­линга.

Несмотря на то что исследованием горения металлов зани­маются многие годы, публикаций по этому вопросу очень мало. В имеющихся публикациях рассматривается, по-виднмому, наи­более подходящая для реакции смесь лития, натрия и шести - фтористой серы? При химическом взаимодействии этих трех составляющих достигается относительно высокая энтальпия ре­акции и не образуются газообразные продукты, которые осо­бенно нежелательны в условиях ограниченного пространства. К сожалению, все возникающие в установках на солях лития проблемы, связанные с материалами, имеют место и в системах со сжиганием жидких металлов. При рабочих температурах дви­гателя Стирлинга, составляющих около 800 °С, литий в жидком виде очень коррозионноактивен, особенно по отношению к ни­келевым сплавам, и поэтому следует использовать нержавею­щую сталь с содержанием хрома 18% и никеля 8%. Отметим, что в растворе с другими химическими элементами литий не­сколько снижает свою коррозионную активность [6]. В то же время экспериментальные исследования показали, что реакцию горения жидкого металла можно регулировать и осуществлять в резервуаре из нержавеющей стали. Использованию таких си­стем в автомобильных транспортных средствах в ближайшем будущем может помешать возможная утечка топлива.

Предпочтительные свойства реагентов, используемых в ре­акции горения металлов, очень близки к свойствам гермоак - кумулирующих материалов. Отличие состоит лишь в том, что в данном случае материалы должны быть горючими. Кроме того, продукты реакции должны существовать в жидком виде, поскольку как газообразные (о чем уже упоминалось), так и твердые продукты реакции усложняют разработку конструкции. Поэтому, хотя при сжигании металлов можно использовать не­посредственный кондуктивный нагрев, предпочтительнее иметь систему передачи тепла посредством тепловой трубы с натрием или аналогичную систему. На рис. 5.5 показана система с дви­гателем Стирлинга, в которой производится сжигание жидкого металла. Система предназначена для разрабатываемых фир­мами «Дженерал моторе» и «Филипс» проектов.

Уравнение основной химической реакции между литием и шсстифтористой серой имеет следующий вид:

8Li + SF6->6LiF + Li2S +Теплота. (5.2)

Литий находится в камере сгорания, заполняя ее в твердом виде лишь частично. Жидкая шестифтористая сера до ввода

В камеру сгорания хранится в отдельной емкости. При комнат­ной температуре давление пара шестифтористой серы состав­ляет примерно 2 МПа. Это давление используется для подачи реагента через форсунку. Литий перед реакцией должен нахо­диться в расплавленном виде, что нетрудно обеспечить, по­скольку точка плавления лития составляет всего 190°С. Для инициирования реакции можно воспользоваться либо пиротех­ническим, либо электрическим нагревателем. Первый приме­няется при необходимости быстрого пуска. Типичный пиротех­нический материал перекись натрия — алюминий при воспламе­нении от небольшого воспламенителя не только расплавляет литий, но в течение 1 с может повысить его температуру до 700 °С. Пиротехнический материал на основе натрия имеет до­полнительное преимущество, заключающееся в возможности ре­гулировать образование летучих веществ в основной реакции. При использовании электрического нагрева для обеспечения аналогичной возможности к литию подмешивают небольшое ко­личество свободного натрия. Продукты реакции также являются расплавами и из-за особенностей исходной смеси лития и шести­фтористой серы занимают почти тот же объем, что и исходные топливные реагенты. Это выгодно для многих применений, осо­бенно для подводной энергетической системы. Фирма «Джене­рал моторе» исследовала также сжигание смеси лития с фрео­ном, что позволило получить более высокие мощности, чем при сжигании смеси лития с шестифтористой серой, но углерод, со­держащийся во фреоне, оказался активным по отношению к не­ржавеющей стали с содержанием хрома 18% и никеля 8% и

Вызывал ее охрупчивание. На рис. 5.6 сравниваются энергоси­ловые установки с двигателем Стирлинга и источником энергии на литии и фреоне с другими энергосиловыми установками, а на рис. 5.7 — системы на литии и шестифтористой сере, с си­стемами на литии и фреоне. Отметим, что, как следует из рис. 5.4, системы со сжиганием жидкого металла имеют почти такой же энергетический потенциал, как и ядерные энергети­ческие установки. Двигатель Стирлинга может работать и с ядерной установкой [14], но создание термоядерного реактора для привода поршневого теплового двигателя вряд ли оправ­данно. Тем не менее инженер фирмы «Дженерал моторе»

Хефнер [1] заявил, что при температурах нагревательной голов­ки около 460 °С «было бы выгодно использовать двигатель Стир­линга совместно с высокотемпературными ядерными система­ми». Использование меньших источников тепла с радиоактив-

Ными изотопами представляется более реальным решением, и именно оно будет рассмотрено в следующем разделе.