Машины, работающие по циклу Стирлинга

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ ЦИКЛ

И люиом реальном двигателе все перечисленные выше факторы, а также и ряд других значительно снижают термический к. п. д. цикла по сравнению с к. п. д. в идеальном_цикле Карно. Эффектив­ный к. п. д. составляет часть теоретического к. п. д. цикла Карно; это отношение называется относительным к, п. д., т. е.

_________ эффективный к. п. д.

Отн термический к. п. д. цикла Карио

В хорошо сконструированной машине значение этого коэффи­циента превышает 0,4.

Для иллюстрации рассмотренного выше идеального цикла пред­полагалось, что механическое устройство состояло из двух оппо - зитно расположенных поршней с поме­щенным между ними регенератором. Такая двухпоршневая машина является одной из разновидностей многочислен­ных конструкций; подробнее она будет рассмотрена несколько позже. Один из возможных вариантов двухпоршневой машины приведен на рис. 3-1. Это V-об - разный двигатель, поршни которого имеют общий коленчатый вал. Объемы сжатия и расширения расположены в полостях над поршнями и соединяются между собой каналом с имеющимися в нем регенератором и дополнительными теплообменниками.

При работе двигателя существенное отклонение от идеальности происходит вследствие непрерывного движения пор­шней в отличие от прерывистого дви­жения для идеального случая. В ре­зультате цикл в р, У-диаграмме не­сколько видоизменяется; в этом случае он имеет вид непрерывной плавной замкнутой кривой, а четыре термоди­намических процесса не имеют резких переходов (рис. 3-2).

В реальном двигателе процессы сжатия и расширения в соответ­ствующих полостях осуществляются неполностью, и поэтому пред­ставляется возможным изобразить три отдельные р, V-диаграммы: для полости сжатия, полости расширения и для суммарного объема с учетом мертвых объемов. Мертвый объем — это та часть общей рабочей полости, которая при работе двигателя не вытесняется ни одним из поршней. К мертвому объему относятся: зазоры между соответствующим поршнем и цилиндром, свободные объемы регене­
ратора и теплообменников, объемы соединительных каналов и отвер­стий. Общая положительная работа за цикл характеризуется р, F-диаграммой полости расширения, а отрицательная (затраченная) работа сжатия за цикл — р, V-диаграммой полости сжатия. Раз­ность площадей этих диаграмм есть полезная (индикаторная) ра­бота за цикл, часть которой расходуется на компенсацию работы трения (механические потери), а остальная часть — это полезная механическая работа на коленчатом валу двигателя.

Для идеального цикла, в котором процессы сжатия и расшире­ния протекают изотермически, а механические потери отсутствуют, разность площадей соответствующих р, ^/-диаграмм в точности рав­няется площади р, F-диаграммы для суммарного рабочего объема.

В)

Рнс. 3-2. Действительная р, ^-диаграмма двигателя Стирлинга.

А — диаграмма полости расширения; б — диаграмма полости сжатия; в диаграмма суммарного объема.

В реальном двигателе из-за наличия гидравлического сопротивле­ния в регенераторе и теплообменниках, приводящего к разности давлений в полостях сжатия и расширения, такого равенства, есте­ственно, не достигается. Гидравлическое сопротивление является чрезвычайно важным, поскольку оно уменьшает площадь р, F-диа- граммы; это влечет за собой уменьшение полезной работы (а следо­вательно, и эффективного к. п. д.) двигателя и снижение холодо - производительности и холодильного коэффициента холодильной ма­шины (рис. 3-3).

Гармоническое движение поршней обусловливает циклическое перераспределение массы рабочего тела между различными темпе­ратурными уровнями; в этом случае для общей массы рабочего тела невозможно построить наглядную Т, S-диаграмму. Такие Т, S- Диаграммы можно построить лишь для отдельных частичек рабочего тела, перемещающихся от одного температурного уровня к другому; однако удобного способа, объединяющего все эти многочисленные диаграммы, нет.

Неизотермичность процессов сжатия и расширения — другая важная причина отклонения действительного цикла от идеального. Так, вероятней всего, что в двигателе с частотой вращения около 1000 об/мин эти процессы ближе к адиабатическим (отсутствует тепло­
обмен), чем к изотермическим (бесконечно большой коэффициент теплоотдачи). Для того чтобы процесс был наиболее близок к изо­термическому, в двигателе часто используют специальные допол­нительные теплообменники: нагреватель, примыкающий к полости расширения и служащий для подвода теплоты к рабочему телу, и холодильник, расположенный в зоне полости сжатия с целью отвода теплоты от рабочего тела (см. рис. 3-1). Несмотря на опре­деленные улучшения условий теплообмена, наличие этих теплооб­менников имеет и некоторые негативные стороны. По всей вероят­ности, они увеличивают гидравлическое сопротивление, отрица­тельно сказывающееся на характеристиках двигателя, о чем уже говорилось выше. Далее, наличие указанных теплообменников вле-

Чет за собой увеличение общего мертвого объема из-за свободных объемов нагревателя и холодильника, что имеет решающее влияние на характеристики регенеративных машин. Кроме того, нагревание рабочего тела происходит не только при его перемещении из реге­нератора в полость расширения, но также и при его обратном дви­жении. Подобным же образом происходит и охлаждение рабочего тела как на входе, так и на выходе из полости сжатия. Возможны также и однопоточные системы, но они вносят дополнительные слож­ности в машину.

Совместное рассмотрение влияния увеличения гидравлического сопротивления и свободных объемов (с учетом цены, размеров и массы) приводит к компромиссному решению конструкции тепло­обменников. В результате может иметь место значительное расхож­дение между температурами нагревания (температура продуктов сгорания топлива), температурой охлаждения (температура воды или воздуха) и температурой рабочего тела. Это показано на рис. 3-4. Такое распределение температур можно считать типичным для реге­неративного двигателя, где источником теплоты служит природное топливо, а для охлаждения используется вода. В этом случае тем­
пературы продуктов сгорания и охлаждающей воды соответственно равны 2800 и 280 К - Предельная температура, ограничивающая применение конструкционных материалов (термический предел) для расширительного цилиндра и нагревателя, составляет около 1000 К - Это означает, что между продуктами сгорания и стенкой цилиндра имеется резкий температурный градиент (2800—1000 К), что способствует достижению высоких коэффициентов теплоотдачи. Кроме того, если температурные градиенты между рабочим телом и полостями расширения и сжатия соответственно равны 100 и 50 К, то можно считать, что диапазон изменения температуры рабочего тела в цикле составляет от 280 + 50 = 330 К до 1000—100 = 900 К - Несмотря на то что термический к. п. д. для системы с циклом Карно (или Стирлинга) может быть подсчитан как

%== 2800 - 280 ,100о/о=^.|00о/о=90о/О[

2800

Будет более правильным вычислить его следующим образом:

Данный пример характеризует одну из главных причин, затрудняющих использование двигателей Стирлинга в коммерческих целях: для него, как и для газовой турбины, основной вопрос — это вопрос конструкционных материалов. Некоторые части двигателя (нагреватель и полость расшире­ния) постоянно подвергаются воздействию высокой температуры, и это обстоятельство накладывает ограничение на ^использование конструкционных материалов в указанных узлах двигателя.

Допустимые значения температуры рабочего тела в двигателе Стирлинга меньше допустимых значений температуры двигателей внутреннего сгорания, работающих по циклам Отто или Ди­зеля, где воздействие максимальных температур в цикле кратковременное. Таким образом, хотя регенеративные циклы при заданных температурах термодинамически более эффективны, чем циклы Отто или Дизеля, практически они сравнимы

200-

Рис. 3-4. Характерное распределение температур в дви­гателе Стирлинга, в котором для нагревания использу­ется природное топливо, а для охлаждения — вода.

/ — температура продуктов сгорания; 2 — температура стеиок нагревателя; 3 — средняя температура полости расширения; 4 — средняя температура полости сжатия; 5 — температура охлаж­дающей воды и стеиок холодильника.

С газовыми (или нефтяными) двигателями, работающими при су­щественно больших перепадах температур.

Не все количество теплоты, выделяющееся при сгорании топ­лива, может быть передано рабочему телу, поскольку в противном случае потребовался бы очень громоздкий нагреватель. Выбрасы­ваемые горячие выхлопные газы — это прямые потери теплоты, поскольку платить приходится за всю энергию, содержащуюся в жидком горючем или в газе, но полезно не используемую пол­ностью в двигателе. Поэтому другим важным дополнительным тепло­обменником является подогреватель воздуха, предназначенный для подогрева поступающего в двигатель воздуха от теплоты выхлопных газов. Этот теплообменник может быть как рекуперативного, так и регенеративного типа. В рекуперативном теплообменнике два по­тока газа — выхлопные газы и поступающий в двигатель воздух разделены стенками каналов. В регенеративном теплообменнике происходит попеременное чередование газовых потоков при про­хождении их через одну и ту же насадку регенератора; обычно это противоточные теплообменники. Важно тщательно различать регене­ративный теплообменник, являющийся неотъемлемой частью дви­гателя, и рекуперативный (или регенеративный) теплообменник, выполняющий лишь вспомогательную роль подогревателя воздуха в двигателе.

Итак, непрерывное возвратно-поступательное движение отдель­ных узлов двигателя, неизотермичность процессов сжатия и расши­рения, ограниченная возможность теплопередачи в холодильнике и нагревателе, потери теплоты с выхлопными газами, наличие гидравлического сопротивления — вот главные причины, ограни­чивающие в большинстве случаев возможности конструкторов осу­ществить желаемое в реальном двигателе Стирлинга. Этому есть и другие причины: неудовлеторительная работа регенератора, боль­шие механические потери, выравнивание температур как следствие относительно массивных теплопроводных частей двигателя и утечки рабочего тела, обусловленные несовершенством конструкции или неудовлетворительной работой уплотнений.