Двигатели стирлинга

ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ

Как уже указывалось, тепловые трубы обеспечивают работу двигателя Стирлинга от различных нетрадиционных источников энергии. Тепловые трубы можно использовать с любым источ­ником тепловой энергии, благодаря чему система с двигателем Стирлинга становится многотопливной. В будущем в связи с топ­ливной проблемой и необходимостью использования всех источ­ников энергии система тепловая труба — двигатель Стирлинга получит большее признание. Поэтому конструкторам и пользо­вателям двигателя Стирлинга следует ознакомиться с устрой­ством тепловых труб. В данной книге, которую считаем ввод­ным курсом, мы сочли необходимым привести некоторые крат­кие данные по принципу действия и использованию тепловых труб. Желающим более детально изучить этот вопрос следует обратиться к книгам [29, 30]. Более подробная информация по системе тепловая труба — двигатель Стирлинга, разработанной фирмой «Филипс», содержится в статье [31].

Примечательно, что тепловая труба существует всего около 20 лет, хотя сама идея была выдвинута еще в 1942 г. [32].. Тепловая труба по своей сути является устройством для пере­дачи тепла между двумя точками, расположенными на значи­тельном расстоянии друг от друга, при очень малых градиентах температуры. Последний факт делает ее очень полезной для систем с двигателем Стирлинга, в особенности для систем с термоаккумулирующей установкой.

При существующих разновидностях тепловых труб основной принцип их действия во всех случаях одинаков и заключается в переносе тепла находящимся в замкнутом пространстве веще­ством с фазовым переходом. Рассмотрим тепловые трубы, ра­ботающие только по этому принципу, так как в данном кратком разделе невозможно охватить всю обширную литературу по этому быстро развивающемуся направлению. Число публикаций по тепловым трубам с каждым годом возрастает, и очень труд­но следить за всеми новыми предложениями. Но тем, кто дей­ствительно интересуется двигателями Стирлинга, не следует упускать из виду успехов в развитии тепловых труб. (О быстром развитии тепловых труб свидетельствует тот факт, что число публикаций и патентов по ним, появившихся после 1964 г., пре­вышает число соответствующих работ по двигателям Стирлинга, опубликованных после 1816 г.) Элементарная типичная кон­струкция тепловой трубы показана на рис. 5.9. Она состоит из замкнутой металлической трубы, внутренняя поверхность кото­рой покрыта слоем пористого материала типа мелкоячеистой проволочной сетки, который при работе трубы обладает капил­лярным действием. Такой пористый материал обычно называют фитилем. Находящаяся в трубе жидкость впитывается в фи­тиль, а незанятый внутренний объем заполняется парами этой жидкости. Один конец называют испарителем, а второй — кон­денсатором. Тепло подводится к испарителю, где происходит испарение жидкости. Пар в трубе под действием разности дав­лений переносится к конденсатору, где он конденсируется, вы­деляя тепло, полученное при парообразовании. Пар превра­щается в жидкость, которая под действием капиллярных сил возвращается по фитилю обратно в испаритель. В некоторых случаях этому обратному течению способствует расположение тепловой трубы, т. е. ему помогает сила тяжести.

В зависимости от требуемой плотности теплового потока и рабочей температуры в тепловой трубе можно использовать почти любое вещество от воды до жидкого водорода или жид­кого серебра. Но самым предпочтительным веществом является натрий, поскольку при использовании другого подходящего ве­щества — калия — требуется строгое соблюдение мер техники

Безопасности. При выборе рабочей жидкости для тепловой тру­бы рекомендуется исходить из того, чтобы давление ее паров находилось в интервале значений 0,01—1 МПа. Соответствую­щие температуры натрия составляют 650—1250 °С [31].

В системах с двигателем Стирлинга трубы нагревателя по­мещают в зону конденсации тепловой трубы, и испарившийся натрий конденсируется на этих трубах. Нагреватель должен быть изготовлен из нержавеющей стали. В испытаниях, про­веденных фирмами «Филипс» [31] и «Юнайтед Стирлинг» [32] с двигателями мощностью менее 10 кВт, было отмечено замет­ное увеличение удельной мощности, обусловленное увеличением коэффициента теплоотдачи на наружной стенке тепловой трубы, а по существу, повышением эффективности горелки. Однако су­ществует предел плотности теплового потока, который может быть передан тепловой трубой и при превышении которого, воз­можно, придется использовать контур с жидким металлом. Тем не менее следует отметить, что тепловые потоки, требуемые для современных двигателей Стирлинга, тепловая труба вполне обеспечивает. Самая большая нз используемых для работы с двигателем Стирлинга тепловых труб мощностью 60 кВт скон­струирована в Великобритании, в Редингском университете и фирмами английского консорциума «Ассошиэйтед энжиниринг дивелопментс» [34], и предназначена для работы с эксперимен­тальным двигателем мощностью 20 кВт в Королевском морском инженерном колледже.