Двигатели стирлинга

Выбор рабочего тела

Идеальное рабочее тело для двигателя Стирлинга должно обладать рядом свойств, но не все они отвечают предъявляе­мым к нему требованиям, например доступности, дешевизне, безопасности, возможности хранения и т. п. Однако в дальней­шем изложении мы будем пренебрегать этими последними фак­торами и рассмотрим лишь физические свойства переноса, ко­торые влияют на термодинамические, газодинамические и теп- лообменные характеристики рабочего процесса, происходящего в системе. Вообще говоря, наиболее подходящим будет рабочее тело, имеющее такую комбинацию теплофизических свойств, которая обеспечивает высокую интенсивность теплообмена и од­новременно низкие потери на аэродинамическое сопротивление. Чтобы удовлетворить этим требованиям, рабочее тело должно иметь по крайней мере следующие свойства:

1) высокую теплопроводность;

2) высокую удельную теплоемкость;

3) малую вязкость;

4) низкую плотность;

5) способность к интенсивной теплоотдаче (высокий коэф­фициент эффективности теплопередачи).

На последнее свойство указал Мартини [6], в монографии которого, пожалуй, наиболее полно освещена проблема выбора рабочего тела. Коэффициент эффективности теплопередачи С? определяется как отношение способности рабочего тела пере­носить тепло в регенераторе к количеству тепла, которое тре­буется перенести, и выражается соотношением

Коэффициент эффективности теплопередачи =

Коэффициент теплопроводности.,,.

Удельная теплоемкость ' ' ' '

Из соотношения (3.10) можно понять, что необходимость обеспечения высокого коэффициента эффективности теплопере­дачи может вступить в конфликт с требованиями к величинам других характеристик рабочего тела. Чтобы найти наилучший компромисс между этими факторами, необходимо провести на ЭВМ численное моделирование работы всей системы при ис - пользованиии различных рабочих тел для нескольких вариантов двигателя. Это очень долгий и сложный процесс, являющийся к тому же весьма дорогостоящим мероприятием при проектиро­вании, и поэтому при начальных оценках и проработках кон­струкции его, конечно же, не стоит применять. Эмпирических формул типа соотношений Била или Мальмё, которые помогали бы при выборе рабочего тела, не существует, по-видимому, вследствие недостатка в экспериментальных данных, что не позволяет получить более или менее разумных корреляционных зависимостей. Однако предложенный Уокером [10] простой подход, основанный на результатах оригинального исследова­ния установившегося течения Холла [11], позволяет прибли­женно дать частичный ответ на поставленный вопрос. Применяя аналогию Рейнольдса, связывающую тепловой поток и сопро­тивление трения во внутренннх течениях, можно выразить срав­нительный тепловой поток при использовании конкретного рабочего тела для системы с заданным отношением сопротивле­ния к тепловому потоку и заданным диапазоном температур со­отношением

<зсравн ~ (РЧГ- <ЗЛ1)

В табл. 3.4 сравниваются различные рабочие тела путем со­поставления параметров, рассчитанных по соотношениям (3.10) и (3.11), с соответствующими параметрами для воздуха —ис­ходного рабочего тела двигателя Стирлинга при средней тем­пературе 800 К и среднем давлении 5 МПа.

Можно видеть, что ни одно рабочее тело не имеет требуе­мых, достаточно высоких значений фсравн и CF, кроме легко­плавкого сплава Na—К. В настоящее время исследовательской группой проф. Уитлн в Калифорнийском университете (г. Сан - Диего) изучается возможность использования этого рабочего тела.

Большинство участвующих в расчете теплофизнческих харак­теристик, кроме того, зависит от температуры и давления, и поэтому величины QcpaBH и CF следует определять при харак­терных условиях. Хотя Na—К является, по-видимому, наиболее подходящим рабочим телом, в ближайшем будущем будут практически всегда применяться газообразные рабочие тела, но,

Таблица 3.5. Сравнительный тепловой поток для различных газов

Газ ^сравн Газ ^сравн

TOC o "1-3" h z By Р ' С 1,00 Гелий 1,34

Двуокись углерода 1,71 Водород 3,28

Окись углерода 1,02 Водяной пар 1,76

Азот 1,00 Метан 4,28

Аргон 0,42 Этилен 7.50

дует применять с осторожностью, они позволяют провести как показывают данные, представленные в табл. 3.4 и 3.5, пред­почтительное использование водорода и гелия не всегда оправ­данно. В табл. 3.5 приведены значения относительного пара­метра (Зсрави для различных газов при температуре 1000 К. Сле­дует иметь в виду, что рассматриваются только характеристики теплообмена. Поэтому, хотя соотношения (3.10) и (3.11) сле - разумное сравнение необходимых характеристик имеющихся ра­бочих тел.