Машины, работающие по циклу Стерлинга
РАБОЧЕЕ ТЕЛО
В теории Шмидта физические свойства рабочего тела не рассматриваются, за исключением свойств идеального газа, подчиняющегося характеристическому газовому уравнению состояния PV = = RT. Допущения, на которых основывается эта теория, подразумевают использование идеализированного рабочего тела со свойствами, не встречающимися в природе. Предположение об отсутствии гидравлического сопротивления осуществимо только в том случае, если рабочее тело имеет нулевую вязкость. Аналогично идеальная регенерация и изотермичность процессов сжатия и расширения могут быть достигнуты только в том случае, если рабочее тело обладает нереальными значениями удельной теплоемкости и теплопроводности.
По-видимому, на практике представляют интерес только три рабочих тела: воздух, гелий и водород. Воздух привлекает своей доступностью. Гелий и водород представляют интерес с точки зрения своих термодинамических свойств, а именно тех, которые позволяют иметь высокие коэффициенты теплоотдачи и обеспечивать течение газа с относительно низкими гидравлическими потерями. Сточки зрения характеристик двигателя водород лучше, чем гелий, и к тому же намного дешевле, но в присутствии воздуха или кислорода он склонен к воспламенению.
В двигателях с высокой удельной мощностью и высоким эффективным к. п. д., работающих при высоких давлениях и большой частоте вращения (более 2000 об/мин), необходимо использовать водород или гелий, с тем чтобы обеспечить высокие коэффициенты тепло - и массообмена при разумном уровне гидравлических потерь. Однако очень трудной задачей остается проблема уплотнений. Кроме того, системы регулирования мощностью двигателя сложные, поскольку должны включать реверсивное устройство, клапаны и, возможно, компрессор для изменения давления рабочего тела, находящегося в баллоне высокого давления. Стоимость машин такого типа высокая, и, вероятно, будут использоваться двигатели относительно большой мощности, в которых преимущества, связанные с низким уровнем шума и малым загрязнением атмосферы выхлопными газами, оправдывают более высокую стоимость, чем двигателей внутреннего сгорания. В криогенных газовых машинах, работающих в режиме ожижения с высокой холодопроизводитель - ностью или в рефрижераторном режиме, должен быть также использован в качестве рабочего тела гелий или водород.
Двигатели, в которых рабочим телом является воздух, не могут иметь таких высоких коэффициентов тепломассообмена, как в слуг чае применения водорода или гелия. Обычно такие двигатели громоздкие, с низкой удельной мощностью и низким к. п. д. Однако рабочее тело в них может быть легко пополнено из атмосферного воздуха, и поэтому проблем уплотнений и конструкционных материалов для них практически не существует; вследствие этого такие двигатели могут быть простыми, дешевыми и надежными. Двигатели, работающие на воздухе, имеют низкие характеристики и не могут составить конкуренцию двигателям внутреннего сгорания ни в случае применения их в транспортных системах, ни в других, обычных для них областях. Однако существует настоятельная и все увеличивающаяся потребность в двигателях малой мощности (менее 1 л. с.) с высокой надежностью и умеренными средними характеристиками, способных длительное время работать автономно
(свыше одного года) и использовать природные или радиоизотопные топлива. Потребность в подобных двигателях ощущается в системах навигации, метеорологии и дальней связи, где они могут быть использованы в качестве привода для электрогенераторов. Для таких систем подходят двигатели Стирлинга, работающие на воздухе.
|
В- |
|
§ £ с* Со ^ 30 С: ^ ^ 20 «о $ А § ю В- * а |
|
40 |
|
По |
Сравнительные характеристики двигателей с различными рабочими телами — воздухом, водородом и гелием приведены на рис. 5-9. Данный график, полученный путем моделирования поусовершенствованной методике расчетов для одноцилиндрового двигателя Стирлинга мощностью 225 л. е., заимствован из работ Мейера (1970 г.).
|
" oZ* |
^500 |
||||
|
250 Воздух ^ |
^1500 Н2 |
||||
|
1 |
1 |
225 л, а/цилиндр Температура нагревателя 700 °С Температура охлаждающей воды25°с Давление газа 110 нгс/см2 I! i i i i i |
|
50 |
|
20 |
|
40 Удельная |
|
60 80 Мощность, л. с./л |
|
100 |
|
Рис. 5-9. Сравнительные характеристики двигателей Стирлинга с различными рабочими телами: воздухом, водородом и гелием (по Мейеру, 1970 г.). |
На графике приведена зависимость эффективного к. п. д. двигателя от удельной мощности двигателя (единица мощности в лошадиных силах на литр вытесняемого объема цилиндра) для различных частот вращения и трех различных рабочих тел (воздух, водород и гелий). При высоких значениях удельной мощности и высоких частот вращения водород значительно превосходит гелий; а кривая для воздуха далеко отстает от кривых и для водорода, и для гелия. Однако важно отметить, что при низких частотах и низкой удельной мощности существенного различия между воздухом, гелием и водородом нет; Выбор рабочего тела, ясно определяющий область применения двигателя, является существенным моментом и должен происходить на стадии конструирования. Для двигателей с высокими характеристиками и большими частотами вращения должны быть использованы водород или гелий, а в случае возможности применения двигателей со средними значениями частот вращения и умеренными характеристиками — воздух, как имеющий существенные преимущества с точки зрения простоты конструкции и стоимости двигателя.
В будущем возможно применение и других рабочих тел. В настоящее время представляют интерес химически реагирующие и двухфазные, двухкомпонентные рабочие тела; о последних будет кратко сообщено несколько позже в гл. 10.
