Машины, работающие по циклу Стирлинга

ДВУХКОМПОНЕНТНЫЕ ДВУХФАЗНЫЕ РАБОЧИЕ ТЕЛА

Как одна из возможностей повышения давления для увеличения удельной мощности двигателя в университете Калгари исследова­лось двухкомпонентное двухфазное рабочее тело.

Из анализа, проведенного ранее по теории Шмидта, ясно, что одним из путей повышения удельной мощности данного двигателя является увеличение либо среднего, либо максимального дав­ления рабочего тела. Экспериментально доказано, что повышение выходной мощ­ности двигателя с ростом давления фактически линейно; однако существует хотя и слабая, но прогрессирующая тенденция уменьшения коэффициента пропорциональности из-за ограничений по теплообмену и эффектов внутреннего трения. Физическое объяснение повыше­ния мощности при увеличении давле­ния может быть получено при рассмот­рении рис. 10-8. Схематично изображен­ная диаграмма характеризует такую машину, в которой отношение объемов Умакс/^мии» равное 2, связано с отно­шением давлений рмакс/рмин, равным 2,5. В первом приближении увеличение дав­ления не должно влиять на отношение Давлений, но оно влияет на диапазон Их изменения. В этом случае, как видно из диаграммы, увеличе­ние среднего давления от 1,75 до 5,25, т. е. в 3 раза, ведет к уве­личению диапазона изменения давления от начального его значения, равного 2,5—1 = 1,5, до значения (7,5—3) = 4,5, т. е. также в 3 раза. Тогда как о/пношенне давлений неизменно; диапазон изменения давления растет и площадь в р, V-Координатах увеличивается; вследствие этого производится большая работа и удельная мощ­ность возрастает.

Повышение удельной мощности при увеличении диапазона из­менения давлений может быть достигнуто при условии возмож­ности увеличения отношения объемов Кнакс/Унии. Однако трудно создать машину с отношением объемов, большим чем 2,5 : 1. При использовании газообразного рабочего тела единственным способом
расширить диапазон изменения давления является повышение сред­него давления. По этому направлению следует фирма «Филипс», и как результат — появление машин с давлением водорода или гелия до нескольких сотен атмосфер. Другой возможностью для увеличе­ния диапазона изменения давлений (но при низком среднем давле­нии) является использование рабочего тела, изменяющего фазовое состояние при переходе из полости сжатия в полость расширения, т. е. перехода рабочего тела из жидкого состояния в парообразное. Для любого конкретного рабочего тела при температуре меньше критической удельный объем насыщенной жидкости значительно меньше удельного объема насыщенного пара. Использование рабо­чего тела с фазовыми переходами может, таким образом, дать тот же эффект, что и увеличение отношения объемов VuaKC/Vuua, т. е. привести к расширению диапазона из­менения давлений. Простейшая иллю­страция влияния этого эффекта приве­дена на рис. 10-9. В этом случае сред­нее рабочее давление рср выше, чем пер­воначальное давление наполнения риап, определяемое у «холодного» (неработаю­щего) двигателя, когда компонент, спо­собный к фазовому превращению, нахо­дится в жидкой фазе. Отношение давле­ний Рмакс/Рмин и диапазон изменения давления выше, чем в случае использо­вания однокомпонентного однофазного рабочего тела. Выходная мощность увеличивается и улучшается теплопе­редача вследствие процессов испарения и конденсации.

Предварительные расчеты, весьма идеализированные, показали существен­ное увеличение удельной мощности (при­близительно в 2—3 раза) от применения двухфазного двухкомпо - нентного рабочего тела. В настоящее время в качестве такого ра­бочего тела изучается вода и воздух, но нет никаких причин, чтобы не использовать другие компоненты при условии, что они будут предпочтительней с точки зрения термодинамики и эконо­мически доступны.

Гибридная машина (с использованием в основном обычных узлов двигателя внутреннего сгорания и работающая при умеренных средних давлениях двухфазного двухкомпонентного рабочего тела) может привести к созданию недорогого высокоэффективного двига­теля Стирлинга.