Машины, работающие по циклу Стерлинга
РЕАЛЬНЫЙ РЕГЕНЕРАТОР
Условия работы регенератора в реальном двигателе существенно отличаются от тех предполагаемых условий, которые рассматривались выше для идеального случая. Температура рабочего тела на
Входе в насадку не постоянна, а периодически изменяется, поскольку процессы сжатия и расширения не изотермические. Температура на выходе из насадки регенератора также меняется и не только из-за ее периодического изменения на входе, но и из-за ограниченных значений коэффициента теплоотдачи и поверхности теплообмена насадки, приводящих к конечным скоростям теплоотдачи. Параметры потока рабочего тела на входе в насадку (или на выходе из нее) не постоянны, а непрерывно меняются: давление, плотность и скорость изменяются в широких пределах, а изменение температуры происходит в более ограниченном диапазоне.
|
Рис. 7-1. Циклическое изменение давления в криогенной машине, работающей по циклу Стирлинга (по Уокеру, 1961); измеренные значения циклического изменения давления в полостях расширения и сжатия криогенной машины при п~ 1800 об/мин (а) и п = 800 об/мин (б). Начало кривых соответствует положению вытеснителя в верхней мертвой точке. / — изменение давления в цолости сжатия; 2 — изменение давления в полости расширения; 3 — теоретические кривые, рассчитанные по изотермической теории Шмидта. |
В качестве примера на рис. 7-1 показаны циклические изменения давления в полостях сжатия и расширения в криогенной газовой машине, работающей по циклу Стирлинга. Приведенные на графиках кривые изменения давления получены с помощью индикатора Фарнборо. Для сравнения вместе с двумя указанными зависимостями; полученными для различных частот вращения, даны и теоретические кривые, рассчитанные по теории Шмидта.
|
Полость расширения |
|
Поток иг мертвого объема |
|
0 40 80 120 160 200п 240 280 320 360° Диаграмма потока для среднего давления 26 нгс/см2 |
|
40 80 120 160 200 240 260 320 360° Угол поворота коленчатого вала Диаграмма потока для среднего давления 11 кгс/см2 |
|
Рис. 7-2. Массовые расходы в криогенной машине, работающей по циклу Стирлинга, для двух различных средних давлений в цикле —26 кгс/см3 и 11 кгс/см3. Из-за различных температур (70 К н 300 К) и вытесняемых сбгемов (114,8 и 188,6 см3) соответственно для полостей расширения и сжатия массовые расходы потоков различны. |
Из рис. 7-1 видно, что амплитуды измеренного давления рабочего тела в полости расширения почти точно совпадают с амплитудами кривых, рассчитанных по теории Шмидта. Однако что. касается фаз, то совпадение с кривыми, рассчитанными по теории Шмидта, наблюдается лишь для полости сжатия. Кроме того, интересно отметить, что при изменении частоты вращения от 800 до 1800 об/мин-принципиальный характер изменения амплитуд для полости сжатия и их сдвиг по фазе для полости расширения сохраняются. Расхождение давлений на диаграммах для полостей сжатия и расширения происходит из-за гидравлического сопротивления потоку газа, имеющего место в конденсаторе, регенераторе и холо - 756
Дильнике. Можно показать, что гидравлические потери давления не являются пренебрежимо малыми и находятся в достаточно сложной зависимости от частоты вращения. Как было уже замечено, подобное влияние оказывает и плотность рабочего тела (Уокер, 1963 г.).
|
Полость расширения Конденсатор { Регенератор |
|
Холодильник |
|
Полость сжатия |
|
О НО 80 120 160 200 240 280 320 3£0° Угол поборота коленчатого вала Начало кривых соответствует положению вытеснителя в верхней мертвой точке |
|
Рис. 7-3. Циклические траектории отдельных частичек рабочего тела в цикле Стирлинга для криогенной машины, рассчитанные по изотермической теории Шмидта. |
Дальнейшие расчеты для этой машины проводили, исходя из предположений ее работы строго по циклу Шмидта. На рис. 7-2 приведены графики циклического изменения массового расхода рабочего тела, рассчитанные для двух различных средних давлений. Эти графики в некоторой степени трудны для понимания[12]. На каждом из них имеются по две кривые: одна показывает массовый расход потока в полость и из полости расширения, другая — массовый расход потока в полость и из полости сжатия. Кривые, лежащие выше оси абсцисс, относятся к массам потока, поступающего в полость расширения и выходящего из полости сжатия; кривые, лежащие ниже оси абсцисс, — к массам потока, выходящего из полости расширения и поступающего в полость сжатия. Площадь перекрытия кривых характеризует период общего потока газа, проходящего через мертвый объем, включающий и регенератор. В криогенной газовой машине за направление «горячего потока» принимается направление в полость расширения, а «холодного потока» — в. полость сжатия.
Из рассмотрения зависимостей на рис. 7-2 можно сделать важный вывод: время прохождения общего потока газа через мертвый объем (который в основном — регенератор) составляет не более половины всего времени цикла. Рассмотрим более подробно рис. 7-2 (верхние части графиков); за период от Л до Б общий поток газа проходит через регенератор в направлении полости расширения; за период от В до С поток газа выходит из регенератора в двух направлениях — в полости расширения и сжатия; за период от С до D Общий поток газа проходит через регенератор в направлении по
лости сжатия; за период от D до А поток направляется в регенератор из двух полостей — сжатия и расширения.
Дальнейшими расчетами можно графически показать траектории отдельных частичек рабочего тела. Это сделано на рис. 7-3, где все объемы потока расположены в такой последовательности: самый верхний относится к изменению объема потока в полости расширения, а самый нижний — в полости сжатия. Крайние кривые характеризуют траектории частичек, примыкающих непосредственно к днищам поршня и вытеснителя. Показаны также циклические траектории некоторых других частичек рабочего тела, находящихся в промежуточных сечениях. Заслуживает особого внимания поведение одной из частиц рабочего тела: эта частица никогда не покидает регенератору а совершает лишь колебательные движения внутри насадки в течение всего цикла, что говорит о том, что ни одна частица рабочего тела не проходит через регенератор. Этот экстраординарный вывод очень важен при рассмотрении классической теории регенератора применительно к машинам с циклом Стирлинга.
Из рассмотрения зависимостей на рис. 7-1—7-3 следует главный вывод: рабочее тело в машинах Стирлинга имеет сложный вид движения.
