Двигатели стирлинга

ТЕПЛООБМЕН

До сих пор не было опубликовано работ, содержащих по­дробное аналитическое рассмотрение теплообмена в системе двигателя Стирлинга. К сожалению, объем этой монографии позволяет дать лишь не очень подробные сведения по этому вопросу. Во всяком случае, как будет ясно в дальнейшем, тре­буется провести многочисленные исследования, прежде чем можно будет представить действительно законченное аналити­ческое описание данной проблемы.

Эффективные теплообменные устройства имеют решающее значение для успешной работы любого двигателя Стирлинга, поскольку даже при совершенной конструкции двигателя с точ­ки зрения термодинамики и механики работа всей системы бу­дет неудовлетворительной, если неудовлетворительна работа теплообменника. Проблемам теплообмена посвящено множество работ, в том числе ряд отличных монографий и статей, в кото­рых рассматриваются конструкция и изготовление теплообмен­ников, а также излагаются теоретические основы. Однако до самого последнего времени теоретики теплообмена и конструк­торы не имели достаточных оснований сфокусировать свое вни­мание на устройствах, необходимых для двигателя Стирлинга, кроме регенераторов. Поэтому в литературе отсутствуют как фундаментальные теоретические результаты, так и эксперимен­тальные данные, необходимые для расчета конструкции тепло­обменников двигателя Стирлинга. Тем не менее несколько по­следних отчетов фирмы «Дженерал моторе» [12] пролили неко­торый свет на эту проблему, а статьи [13—15] являются по­пытками ответить на ряд вопросов в этой неизученной области знаний. Отличные работы [16—18] по теории регенератора обеспечили наконец основу для анализа регенератора двигателя Стирлинга.

Большинство современных теплообменных устройств рабо­тает в условиях постоянного ннзкого потока массы, в то время как соответствующие устройства в двигателе Стирлинга долж­ны функционировать в сравнительно тяжелых условиях при вы­соких непрерывных термомеханических нагрузках и периодиче­ски колеблющихся и меняющих направление высоких массовых расходах. Подобные условия течения не рассматриваются в имеющейся литературе по теплообмену, но общие корреляцион­ные соотношения, связывающие фундаментальные безразмерные критерии теплообмена: числа Нуссельта, Прандтля, Рейнольдса, Стантопа и т. п., — могут быть применены, если имеются соот­ветствующие экспериментальные данные. К сожалению, чтобы получить эти данные, необходимо провести измерения при таких же условиях течения, какие существуют в двигателе Стирлинга, и есть только один путь, позволяющий смоделировать подобные условия, — построить двигатель Стирлинга. Однако, чтобы скон­струировать теплообменники для этого двигателя, необходимо иметь экспериментальные данные, которые мы хотим получить. Выход из этой классической проблемы «яйца и курицы» состоит в том, чтобы проектировать теплообменники на основании дан­ных для установившегося течения. Обычно в дальнейшем совер­шенствуют работу двигателя методом проб и ошибок, применяя различные модификации. Это не слишком удивляет, поскольку в прошлом основная цель исследовательских программ состояла в том, чтобы построить двигатель, который бы работал. Теперь при быстро развивающейся технологии и большом количестве экспериментальных данных большее внимание уделяется осно­вам теплообмена в уникальных условиях двигателя Стирлинга. Нельзя сказать, что исследований теплообмена в этих условиях не проводится, поскольку несколько работ опубликовано, но большинство из них посвящено только регенератору и к тому же применительно к холодильникам, а не к энергетическим уста­новкам. Тем не менее получен ряд экспериментальных данных и проведено несколько теоретических исследований, но все же эта область знаний остается очень слабо изученной. Общие вы­воды исследований, опубликованных к настоящему времени, не являются окончательными; например, в работе Льюисского ис­следовательского центра НАСА [19] измеренное падение дав­ления в регенераторе оказалось вдвое выше расчетного значе­ния, а исследовательская группа Токийского университета [20] получила коэффициенты теплоотдачи почти вдвое ниже, чем для случая установившегося течения, в то время как в других ис­следованиях результаты прямо противоположные [21]. Хотя не­многочисленные и противоречивые данные, полученные к на­стоящему времени, не позволяют дать вполне определенное аналитическое описание теплообмена в двигателе Стирлинга, тем не менее мы приведем некоторые соображения об основных теоретических требованиях к теплообменным устройствам двига­теля Стирлинга и о том, как эти требования осуществляются на практике.