Машины, работающие по циклу Стирлинга

ДВИГАТЕЛИ

В большинстве конструкций двигателей значительное внимание уделяется регенератору и сравнительно небольшое — проблеме нагревателя и холодильника. По этой причине процессы теплопере­дачи при подводе и отводе теплоты осуществляются плохо и, в ко­нечном итоге, достигнуть удовлетворительной работы двигателя не удается. Это стимулирует дальнейший интерес к регенератору: делаются многочисленные экспериментальные/попытки проверить различные конструкции регенератора. Часто вызывает удивление тот факт, что порой эти попытки не оказывают никакого эффекта на работу двигателя; особенно удивителен тот случай, когда экс­перименты проводятся с целью уменьшения размеров регенератора, и размеры уменьшаются до такой степени, что двигатель, в сущности работает без него. Из опыта известно, что в небольших двигателях с низким давлением рабочего тела снятие регенератора почти всегда приводит к улучшению их характеристик, потому что выигрыши, связанные с уменьшением мертвого объема и в меньшей степени с уменьшением потерь, обусловленных теплопроводностью корпуса регенератора, и потерь на трение, перекрывают потери, связанные с теплоемкостью и поверхностью теплообмена насадки регенератора.

Для очень небольших низкочастотных машин (например, для двигателей с диаметром цилиндра 5 см, давлением менее 5—6 кгс/см2 и с частотой вращения менее 1000 об/мин) конструкция с внешним регенератором (по крайней мере, для первого варианта) нецелесо­образна; лучшим решением в этом случае будет, по-видимому, вну­тренний кольцевой регенератор, расположенный вокруг вытесни­теля.

Один из вариантов вытеснительной системы с регенеративным кольцевым каналом, успешно использованный профессором Билом (Beale), а также автором, показан на рис. 7-8. Вытеснитель, выпол­ненный из тонкостенной трубки из нержавеющей стали с низкой
теплопроводностью, закрыт с горячего торца перевернутой цилин­дрической крышкой, изготовленной из сплошного бруска так, чтобы она могла плотно прилегать к трубе. После сборки место соедине­ния может быть заварено, а шов зачищен и отшлифован. С вну­тренней стороны вытеснителя, как это видно из рисунка, может быть предусмотрен ряд теплозащит­ных экранов, либо вырезанных из жесткого материала, либо стандарт­ных. Нижний конец вытеснителя также закрыт плотно прилегающей пластинкой. Поскольку эта часть вытеснителя работает в холодной - зоне, пластинка может быть изго­товлена из легкого сплава или из нержавеющей стали. Для обеспе­чения необходимого уплотнения пластинки с нижним концом вы­теснителя их соединяют с помо­щью эпоксидного клея. Хорошие результаты получены для вытес­нителя с длиной около трех его диаметров. Вытеснитель работает в цилиндре, также изготовленном из низкотеплопроводной нержавеющей стали и имеющем небольшое попе­речное сечение, за исключением периферийных колец жесткости, снимаемых в процессе обработки. Верхняя часть цилиндра закрыта другой перевернутой цилиндриче­ской крышкой, приваренной извне. Нижний конец цилиндра соединен с помощью фланца с охлаждаемой полостью сжатия цилиндра. Ци­линдр может быть короче вытес­нителя, так что нижняя, охлаждае­мая часть вытеснителя работает внутри полости сжатия цилиндра. Это дает возможность установить на нижнем конце вытеснителя на­правляющее кольцо, изготовленное на основе материала PTFE, рабо­тающего в условиях охлаждения.

По кольцевому каналу, образующемуся между вытеснителем и цилиндром и связывающему полости расширения и сжатия, про­ходит рабочее тело. Этот канал выполняет роль регенератора, по­скольку верхний его конец всегда находится в нагреваемой, а ниж­ний — в охлаждаемой частях цилиндра. Устройство достаточно
простое, но весьма эффективное в том случае, если вытеснитель и стенки цилиндра выполнены из очень тонкого материала, позво­ляющего свести к минимуму потери на теплопроводность. Зазор между цилиндром и вытеснителем с точки зрения теплообмена имеет очень важное значение и должен находиться в пределах 0,38— 0,76 мм. Для обеспечения выравнивания процессов теплообмена и течения рабочего тела очень важно также выдерживать постоян­ный зазор в кольцевом канале по всей длине. Проблема теплообмена в кольцевом канале с осевым температурным градиентом и с дви­жущимся возвратно-поступательно одним из элементов этого ка­нала, по-видимому, не изучалась и может быть рекомендована для исследовательской работы в университете.

Пределы применимости регенеративного кольцевого канала не определены, но, вероятно, система будет все менее и менее эффек­тивной по мере того, как будут увеличиваться диаметр цилиндра, давление и частота вращения двигателя. Первоначально противоре­чия скажутся, вероятно, на работе нагревателя; в этом случае поло­жение может быть улучшено увеличением площади поверхности теплообмена за счет внутреннего оребрения, однако без значитель­ного увеличения мертвого объема этого достигнуть трудно. В ко­нечном счете возникает необходимость прибегнуть к весьма сложным нагревателям, вероятно трубчатого типа; следовательно, можно сде­лать вывод, что насадки регенераторов оправдывают затраченные средства. В этом случае прогрессивным направлением в развитии двигателей будет, вероятно, сходное с тем, по которому идет фирма «Филипс».