Машины, работающие по циклу Стерлинга
Электрогенераторы малой мощности
Существует много областей применения для электрогенераторов малой мощности, способных работать автономно в отдаленных районах в течение длительного времени. Уровень их мощности колеблется от 5 Вт до 5 кВт, но особенный интерес представляет диапазон от 200 до 500 Вт. Такие электрогенераторы требуются для многих целей, но в основном для снабжения электроэнергией систем навигации, таких как маяки и буи, автоматические метеостанции, а также для телеметрии и станций усиления связи. Они могут быть использованы под водой как для гражданских, так и для военных целей, в горах, в недоступных районах Арктики и в аварийных навигационных ситуациях. Для большинства областей применения главным критерием является надежность. Практических ограничений по массе, габаритам и частоте вращения для таких энергоустановок нет. Также не важны режимы пуска и останова, поскольку в большинстве случаев имеется возможность подключения системы аккумуляторных батарей для отвода избыточной мощности (например, ночью), в то время как электрогенератор продолжает вырабатывать постоянную мощность в устойчивом режиме. Регулирование и контроль за работой двигателя не являются серьезной проблемой. В большинстве случаев предпочтительней (и легче) регулировать электрические параметры системы, чем параметры самого двигателя.
Эффективный к. п. д. двигателя — очень важный фактор, определяющий необходимый запас радиоизотопного или природного топлива как источника теплоты. Однако полный коэффициент преобразования тепловой энергии в электрическую, составляющий около 20%, считается очень высоким, поскольку у другой возможной термоэлектрической системы преобразования полный коэффи
циент составляет 8% и менее. В настоящее время ни дизелей, ни других двигателей внутреннего сгорания с достаточной степенью надежности для указанных диапазонов мощностей нет. Двигатели Стирлинга представляются идеально подходящими для этих целей, и кажется странным то обстоятельство, что фирма «Филипс» отказа-
Рис. 9-3. Схема энергосистемы с изотопным источником.
1 — электрический генератор; 2 — двигатель Стирлинга; 3 — зона конденсации тепловой трубы; 4 — тепловая изоляция; 5 — зона испарения тепловой трубы; 6 — источник энергии — матрица с изотопным топливом; 7 ~ Биологическая защита; & — противопожарная и противоударная защита; 9 — система теплообменников охлаждения (тепловая труба [с конденсацией фреона); 10 — Регулирование температуры и теплообменник отвода теплоты (газовая секция двухфазной двухкомпонеитной тепловой трубы).
Лась от своих дальнейших разработок электрогенератора малой мощности с воздушным охлаждением, который по своим данным достаточно хорошо удовлетворял указанным выше требованиям. После нескольких дополнительных лет исследований эта установка могла бы с большим успехом использоваться для гражданских, военных, морских и сухопутных целей.
Исследования, приведшие к разработке двигателя Стирлинга малой мбщности с радиоизотопным источником теплоты, были предприняты автором в университете Калгари (Calgary) по просьбе Управления по атомной энергии Канады в 1969 г. Предполагалось, что в качестве топлива будет использован ^Со, в результате радиоактивного распада которого выделяется тепловая энергия с общим коэффициентом .преобразования энергии около 20%. Период полураспада изотопа воСо составляет 5 лет, а ресурс работы электрогенератора предполагался равным 2,5 года. Схема предложенной системы приведена на рис. 9-3. Источник энергии представляет собой ряд таблеток из ^Со диаметром 6,35 мм и такой же толщины, содержащихся в матрице из урана и заключенных в соответствующую металлическую оболочку. Гамма-излучение в0Со замедляется матрицей, а энергия частиц идет на нагревание самой матрицы. В этой системе возможно достижение рабочей температуры около 600°С. Не все гамма-излучение задерживается в матрице; поэтому требуется толстый слой биологической свинцовой защиты массой около 2000 кг и дополнительный внешний экран из малоуглеродистой стали, обеспечивающий пожарную безопасность. Теплота, генерирующаяся внутри матрицы, идет на испарение жидкометал - лического теплоносителя в системе тепловых труб, соединяющих источник энергии с двигателем Стирлинга, служащим приводом электрогенератора и расположенным за свинцовой защитой. Можно
было бы расположить двигатель и электрогенератор рядом с источником теплоты, но это повлекло бы за собой увеличение необходимой массы свинцовой защиты до значения, большего максимальной нагрузки крупнейших вертолетов. По крайней мере, необходим один изгиб тепловой трубы на 90° для предотвращения радиоактивного свечения из-за гамма-радиации вдоль трубы.
Использование тепловой трубы представляется выгодным, так как это уже готовое устройство для «сброса» избытка тепловой эиергии. Автоматический сброс теплоты необходим как мера безопасности в случае заедания (или, другими словами, останова двигателя) для предотвращения перегрева (и возможного испарения) источника энергии^ последующим выделением радиоактивных продуктов. Отводимая от источника тепловая мощность вначале больше расчетной на значение, достаточное для компенсации постепенного уменьшения тепловыделения из-за конечного периода полураспада изотопа. Для ^Со с 5-летним периодом полураспада тепловая мощность падает приблизительно на 25% в конце 2,5-летнего периода.
Предлагаемая тепловая труба является двухкомпонентной двухфазной системой, состоящей из газообразного компонента с низким коэффициентом теплопроводности и двухфазного парожидкостного металлического теплоносителя (второй компонент) с высоким коэффициентом теплопроводности. Обычно два этих теплоносителя (два компонента) четко разделяются в поле гравитации. Более тяжелый, с хорошей теплопроводностью металлический теплоноситель сосредоточен в надежно изолированной главной секции трубы, соединяющей источник энергии и двигатель. Более легкий газообразный теплоноситель сосредоточен в верхней излучающей секции.
При расчетной температуре поверхность раздела металлического и газообразного теплоносителя находится внутри изолированной секции, но при подводе тепловой мощности, превышающей расчетную, температура увеличивается, вызывая одновременно и рост давления. В этом случае поверхность раздела достигает тепловой трубы по мере того, как сжимается газовый теплоноситель; вследствие этого пар с высокой теплопроводностью проникает в газовый с высокой излучающей способностью теплоноситель, и теплота отводится до тех пор, пока поверхность раздела не возвратится в изолированную секцию. Холодильная система имеет вторую тепловую трубу, в которой в качестве охлаждающей жидкости используется фреон, кипящий на стенках холодильника и конденсирующийся в охлаждаемой воздухом излучающей секции. Такая труба предпочтительней простой водяной рубашки охлаждения с циркуляцией воды, осуществляемой насосом с приводом от коленчатого вала двигателя.
В разработке двигателя для указанной выше системы были достигнуты значительные успехи. Прототип такого двигателя, созданного в 1971 г. в университете Калгари на основе результатов более ранних исследовательских установок, изображен на рис. 9-4. В настоящее время в фирме «Тринити хауз лайтхауз сервис» (Trinity
House Lighthouse Service) ведутся предварительные исследования с целью определения возможностей работы такого двигателя с камерой сгорания. Необходимость такого двигателя, способного работать на дизельном топливе или на сжиженном природном газе, диктуется потребностью его применения в навигационных буях и маяках для автономной работы в течение более одного года. В качестве прототипа такого двигателя предполагается использовать
Рис. 9-4. Экспериментальный двигатель Стирлинга «Chipewyan». Диаметр цилиндра 60 мм; ход поршня 32 мм, давление рабочего тела (воздух) 1,975 МПа (17,5 кгс/см2); частота вращения 600 об/мин, мощность на валу 200 Вт. 1 — электрический нагреватель; 2 — полость расширения; 3 — регенеративный кольцевой канал; 4 — полость сжатия; 5 — рубашка охлаждения; 6 — уплотнения из материала Типа RULON. |
Относительно простой двигатель «Чайпуайн» (Chaipwyan), выполненный по обычной (или V-образной) схеме с использованием воздуха как рабочего тела и с диафрагменным компрессором (с приводом от двигателя) для поддержания давления в картере. Это будет
Достаточно тяжелый, с низкой частотой вращения и средним эффективным к. п. д. двигатель, основное внимание в котором будет уделено вопросам надежности с целью обеспечения его длительной автономной работы.