Двигатели стирлинга

УДЕРЖАНИЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА

По определению все рабочее тело требуется удержать в си­стеме двигателя Стирлинга. Если допускаются утечки, то преимущества работы по замкнутому циклу полностью не реали­зуются. Небольшие утечки неизбежны, но следует всеми воз­можными способами контролировать их. Чтобы сделать это, не­обходимо знать места утечек. Как мы уже отмечали, существуют два элемента конструкции, в которых возможны утечки — уплотнение штока поршня и трубка нагревателя, причем по­следняя опасна лишь в том случае, если используется водород. Проблема уплотнений является, по существу, эмпирической, и хотя имеются основные теоретические концепции по этому во­просу, они довольно сложны и включают много параметров, взаимосвязь между которыми не вполне ясна. Условия работы уплотнений в двигателе Стирлинга уникальны, и поэтому про­блема разработки математической модели вызывает существен­но большие трудности, чем аналогичная, уже довольно сложная проблема для обычных систем уплотнения. Сейчас нет сомнений в необходимости разработки такой модели, поскольку промыш­ленное производство двигателей Стирлинга во многих случаях тормозится из-за отсутствия надежной технологии уплотнений. В настоящее время предпринимаются попытки улучшить поло­жение дел [36, 37], и читатели, интересующиеся этим вопросом, могут обратиться к указанным источникам. Возможен и другой подход к решению задачи, предусматривающий расчет харак­теристик уплотнения в двигателе Стирлинга, считая его напря­женным элементом конструкции и применяя для расчета на­пряжений метод конечных элементов [38]. Однако в настоящее время задача решается эмпирическими методами и теоретиче­ские основы, которые позволили бы получить аналитическое решение рассматриваемой проблемы, практически отсутствуют.

Задача о проницаемости трубок нагревателя начинает по­лучать некоторый теоретический фундамент, поскольку сейчас проводится очень серьезная работа специалистами в области материаловедения, которые занимаются осуществлением про­граммы автомобильных двигателей Стирлинга в США. В атом­ной промышленности также ведутся некоторые исследования проницаемости стенок при использовании в качестве рабочего тепа водорода. Однако, хотя соответствующие работы заслужи­вают внимания, в них не рассматриваются условия работы дви­гателя Стирлинга с периодически изменяющимся течением высо­котемпературного газа под большим давлением. Температура является важным фактором, влияющим на скорость фильтрации. Но, как мы уже-отмечали, высокотемпературная среда влияет также и на физические характеристики материала трубок на­гревателя, вызывая снижение его сопротивляемости высоким на­пряжениям в ходе длительной эксплуатации. В общем задачу нельзя решить столь же просто, как задачу хранения газообраз­ного водорода, для которой имеется много опубликованных дан­ных. Итак, практически отсутствуют данные о долговременном влиянии водорода на механические и физические характери­стики материалов двигателя Стирлинга и имеются ограниченные данные о скоростях фильтрации [39].

Как неизбежны утечки через уплотнение штока поршня, так неизбежна и фильтрация водорода при высоких температурах. Чтобы уменьшить фильтрацию, необходимо понять управляющие ею механизмы. Понимание этих процессов позволит найти основные параметры и принять соответствующие меры для управления фильтрацией. Действительно, вопрос об управлении скоростью фильтрации является самым трудным. Фильтрацию нельзя устранить совсем, но если скорость фильтрации снизить до такого уровня, что двигатель можно будет лишь дозаправ­лять через довольно большие интервалы времени, то проблема проницаемости станет несущественной. Тем не менее простое присутствие водорода может вызвать его реакцию с некоторыми элементами, входящими в состав материала трубки, а это обыч­но ведет к резкому возрастанию хрупкости последнего [40]. Разумеется, можно преодолеть возникшие трудности, применив другой газ, и во многих случаях это действительно выход из положения. Другое решение заключается в использовании не­металлических материалов типа керамики, поскольку результа­ты исследования барьеров для трития (изотопа водорода) в термоядерных реакторах показали, что керамика предпочти­тельнее металлов [41].

Процесс фильтрации водорода сквозь твердое тело имеет пять основных отличительных стадий. На первой стадии водо­род в обычной молекулярной форме концентрируется на поверх­ности твердого тела вследствие механизма, называемого адсорб­цией. (Не следует путать с абсорбцией!) Затем двухатомные молекулы диссоциируют, т. е. расщепляются на атомы водорода, совокупность которых иногда называют атомарным водородом. Именно этот атомарный компонент диффундирует сквозь ато­марную решетку твердого материала. Поэтому, хотя и нельзя считать некорректным употребление термина «диффузия водо­рода» в связи с проблемой удержания рабочего тела, все же правильнее применять термин «фильтрация». Термин «диффу­зия» н «фильтрация» стали синонимами в технической литера­туре, посвященной двигателям Стирлинга, по той причине, что именно управление диффузией атомарного водорода является наиболее вероятной возможностью управления фильтрацией молекулярного водорода из системы. После диффузии атомы рекомбинируют на наружной поверхности твердой стенки, и затем происходит десорбция с поверхности. Последний механизм мож­но считать аналогичным испарению, в то время как адсорбцию можно представить как конденсацию.

Суммарная скорость фильтрации определяется самым мед­ленным процессом из протекающих на всех пяти стадиях. При низких температурах определяющим фактором является стадия диссоциации, при более высоких — диффузия. Поэтому данные, полученные при низких температурах, не соответствуют усло­виям, преобладающим в двигателе Стирлинга. Следовательно, нельзя получить значения скорости фильтрации при высоких тем­пературах, просто умножая величины, полученные при низких температурах, на отношение температур. Нужно исследовать про­цесс диффузии, чтобы найти определяющие параметры. Расход водорода в процессе диффузии можно рассчитать по формуле

J = og(A/x)(p^-p^), (2.57)

Где J — расход через трубку при стандартных значениях давле­ния и температуры, см3/с; ag — коэффициент фильтрации водо­рода, см3/(с-см-МПа0'5); А — площадь поверхности, см2; х — толщина стенки трубки, см; р,, р0 — внутреннее и наружное дав­ление соответственно, МПа.

В идеальном случае, когда материал трубки считается изо­тропным и предполагается, что не происходит каких-либо хи­мических реакций или структурных изменений, соотношение (2.57) можно привести к виду

/ = (АрЫ/х) Кс ехр (- ДHS/RT) D0 exp (- EJRT). (2.58)

В двигателе Стирлинга давление вне трубки мало по срав­нению с внутренним давлением, и им можно пренебречь. Па­раметры Ко и D0 — это константы растворимости и диффузии, которые можно найти с помощью законов Зиверта и Фика [42], ЛHs — скрытая теплота растворения, а Еа — энергия активации процесса самодиффузии. Таким образом, можно видеть, что ско­рость просачивания водорода сквозь твердый материал зависит от многих факторов. Давление и температура являются рабо­чими параметрами и определяют рабочие характеристики дви­гателя, поэтому их изменение с целью облегчения проблемы диффузии может и не улучшить конечных результатов. Анало­гичным образом изменение площади поверхности трубки или ее толщины может противоречить теплопрочностным требованиям. Следовательно, лишь физические характеристики материала—- коэффициент растворимости К и коэффициент диффузии D — являются теми двумя параметрами, которые можно изменять с наименьшими ограничениями. Однако значения этих двух ко­эффициентов практически неизвестны для материалов, исполь­зуемых в двигателе Стирлинга, и при условиях, характерных для этого двигателя. Данные экспериментального исследования [42] до некоторой степени восполняют этот пробел. Как только эти коэффициенты станут известны, можно будет более точно изучить теоретические аспекты. Пока этого не произойдет, при­дется применять практические методы уменьшения просачщза-

Скорое?*:., срицен"^, об/мин

Рнс. 2.22. Повышение рабочих параметров при использовании керамических материалов [431.

Ния водорода. Поскольку скорость фильтрации сквозь керамиче­ские материалы меньше, чем скорость фильтрации сквозь метал­лы, то очевидно, что надо использовать именно такие материа­лы, и действительно будущее двигателя Стирлинга можно гарантировать, если в его горячих узлах будет использована керамика. Фирмы «Юнайтед Стирлинг» [43] и «Филипс» [44] провели исследования таких материалов, которые позволяют су­щественно улучшить рабочие характеристики не только вслед­ствие снижения диффузии и фильтрации. Данные, представлен­ные на рис. 2.22, наглядно иллюстрируют возможности исполь­зования керамических материалов. Однако технологические методы, необходимые для изготовления теплообменников, пока еще не отработаны. Временным решением задачи является по­крытие металлических трубок нагревателя керамикой. Иссле­дования, проведенные фирмами «Филипс» и «Дженерал моторе»,
показали, что подобные покрытия могут дать ожидаемый эф­фект, но процесс нанесения покрытия нельзя внедрить в про­мышленных масштабах. Этот вопрос рассматривался в гл. 1. В указанных исследованиях применялись, как правило, покры-

Рис. 2.23. Снижение скорости фильтрации водорода в среду со стандартными условиями при наличии покрытия на внутренней поверхности трубок нагре­вателя [42, 45].

Рнорм=0л МПа-

Тия на основе кремния, но позднее выяснилось, что более эф­фективным является диффузионное покрытие из алюминида. Действительно, при использовании такого покрытия скорость фильтрации водорода снижалась в пять раз [42]. Однако и в этом случае остается открытым вопрос о промышленном нане­сении покрытий. О влиянии покрытия материалов можно судить по данным, представленным на рис. 2.23.

В экспериментальных исследованиях, проведенных по про­грамме отработки автомобильных моторов, было обнаружено, что если используется водород не 100 %-ной чистоты, то в конце
кондов отмечается эффект покрытия поверхности. Поэтому были проведены контрольные эксперименты с применением сме­си 98 % водорода и 2 % углекислого газа. Было установлено, что кислород, содержащийся в смеси, способствует образованию на поверхности окисного слоя, который вызывает существенное снижение скорости фильтрации. К сожалению, этот окисный барьер образуется только на некоторых сплавах. Например, на обычно применяемом в нагревателях материале N-155 малти - мет не образуется сколько-нибудь заметного окисного барьера, а на трубках из материала инколой 800 такой барьер обра­зуется [45]. Результаты соответствующих экспериментальных

Исследований показаны на рис. 2.24; поскольку для образования окисного слоя требуется некоторое время, представлены данные, полученные после первого и десятого циклов работы. В настоя­щее время создание подобных барьеров является, видимо, един­ственно возможным решением задачи, а использование газов с присадками служит гибким и быстрым способом достижения этой цели.