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.

Оригинал книги Машины, работающие по циклу Стерлинга в формате джвю можно скачать здесь

Машины, работающие по циклу Стерлинга

Среднее давление цикла

Среднее давление цикла определяется формулой 2я 2я Рср-— Г рй(ф—0) = — Г Р-акс(1-в) (4.12) FcP 2Я J Н V 2я J l+6cos(<D-0) V v / [10] [11] Подобное расположение …

НЕКОТОРЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Несколько советов, заслуживающих внимания, при конструи­ровании машин Стирлинга. Быть реалистами. Легко сделаться оптимистом и восторженно относиться к потенциальным возможностям машин Стирлинга. Не­обходимо признать, что двигатель фирмы «Филипс» — это резуль­тат …

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ИССЛЕДОВАНИЯМ В ОБЛАСТИ РЕГЕНЕРАТОРОВ И ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Из гл. 7 следует, что существующие методы проектирования регенеративных (и других) теплообменников неудовлетворительны. Исследования в этой области могут быть предприняты на инженер­ных факультетах университетов, но при этом должен быть достиг­нут …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua