Машины, работающие по циклу Стирлинга

НЕДОСТАТКИ

Основными недостатками машин Стирлинга являются их слож­ность и высокая стоимость усовершенствованных вариантов. Более простые варианты двигателей дешевле, но имеют меньшие, чем у двигателей внутреннего сгорания, эффективный к. п. д. и удель­ную мощность. Сейчас представляется маловероятным, чтобы удельная стоимость усовершенствованных двигателей Стирлинга (цена на единицу мощности) снизилась до значений, характерных для дизельных двигателей, даже при условии снижения цен, за­висящих от количества выпускаемой продукции. Разработка дви­гателей Стирлинга с высокими эффективным к. п. д. и удельной мощностью сталкивается с серьезными проблемами по теплообмену и технологии изготовления уплотнений с точки зрения как ма­териалов, так и конструкции. Ниже в данной главе будут кратко рассмотрены основные трудности, встречающиеся при разработке этих машин.

Нагревание. Высокотемпературные теплообменники являются, возможно, основной проблемой для двигателя. Отдельные элемен­ты такого теплообменника должны постоянно работать при мак­симальной температуре цикла, и для обеспечения высокого зна­чения эффективного к. п. д. должны быть созданы высокотемпера­турные сплавы или керамические материалы. В то же время вну­тренний свободный объем, составляющий часть мертвого объема машины, должен быть минимальным. При малом рабочем объеме поверхность теплообмена также мала и вследствие этого плотность тепловых потоков очень велика. Одним из способов разрешения этой проблемы является использование тепловых труб (см. гл. 8), рабо­тающих по принципу теплового трансформатора. Для достижения высокой удельной мощности двигатель должен работать при высо­ком давлении рабочего тела, используя для этой цели водород или гелий, а не воздух. Однако при высоких температурах и давлениях большинство конструкционных материалов до некоторой степени проницаемо для этих газов. Таким образом, в высокотемператур­ных теплообменниках имеются отдельные узлы, постоянно работа­ющие в условиях температур, близких к предельным но конструк­ционной прочности материалов, а также при циклически изменя­ющемся высоком давлении и пульсирующем потоке водорода или гелия.

Эта проблема охватывает новые области в технологии ма­териалов, изготовления и сборки, а также тесно связанные сними вопросы по теплообмену и гидравлике конструкции.

Основной высокотемпературный теплообменник (нагреватель) включает также и вспомогательный для предварительного подо­грева поступающего воздуха продуктами сгорания топлива; это является очень важным и необходимым процессом, уменьшающим тепловые потери с выхлопными газами для достижения высокого эффективного к. п. д. двигателя. Процесс подогрева должен осу­ществляться в основном при атмосферном давлении, так что плот­ность поступающего воздуха и выхлопных газов относительно низка. Поэтому для достижения требующейся высокой эффективности подогревателя воздуха необходимо иметь значительную площадь поверхности теплообмена.

Условия высокой удельной мощности налагают ограничения на габариты и массу теплообменника; поэтому здесь требуется тщате­льно продуманная конструкция.

По принципу действия здесь может быть использован любой из двух типов теплообменников, как рекуперативный, так и регене­ративный.

Охлаждение. Другой серьезной проблемой при создании высоко­производительных машин Стирлинга являются низкотемператур­ные теплообменники для охлаждения.

Из всей подводимой к двигателю теплоты при высокой темпера­туре некоторая часть неизбежно теряется с выхлопными газами. Это общие потери теплоты, которые никак не могут быть исполь­зованы в двигателе. Из оставшейся теплоты, фактически пйдводи - мой к машине, только часть превращается в работу, а другая часть отводится в систему охлаждения. В дизельном или бензино­вом двигателях внутреннего сгорания часть этой теплоты отводится системой охлаждения, а часть с выхлопными газами. Более того, в двигателях внутреннего сгорания повышение температуры охла­ждающей жидкости улучшает эффективность двигателя. В проти­воположность этому в двигателе Стирлинга любое увеличение ми­нимальной температуры рабочего тела ведет к снижению удельной мощности и эффективного к. п. д. Таким образом, по сравнению с дизелем система охлаждения двигателя Стирлинга должна не только иметь более высокий показатель отводимой теплоты на еди­ницу мощности, но и должна делать это более эффективно с тем, чтобы поддерживать температуру охлаждающей жидкости по-воз - можности близкой к температуре окружающей среды. Радиатор для двигателя Стирлинга может быть в 2—3 раза больше, чем для такого же по мощности дизеля.

Практически нет исследований двигателей Стирлинга с высокими характеристиками и обычным воздушным охлаждением без вторич­ного контура охлаждения.

Уплотнения. Важной проблемой для двигателей Стирлинга с вы­сокими характеристиками являются уплотнения. Это связано с тем обстоятельством, что воздух как рабочее тело двигателя не исполь­зуется (его можно было бы легко пополнять из окружающей атмос­феры).

Утечки, даже незначительные, недопустимы при длительной работе двигателя, исключая тот случай, когда в составе установки имеется емкость с рабочим телом под высоким давлением.

Другими проблемами, встающими перед конструктором, яв­ляются термические напряжения, имеющие место. в области перехода высокотемпературной части двигателя к низкотемпера­турной в зоне регенератора, вопросы «горячих пятен» в высоко­температурном теплообменнике, усталостные разрушения как след­ствие знакопеременных напряжений, уравновешиваемость, управ­ление и регулирование, а также обычные проблемы, связанные с подшипниками и смажой.