Машины, работающие по циклу Стерлинга
СВОБОДНОПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ БИЛА
Большие перспективы применения имеют свободнопоршневые двигатели, изобретенные профессором Билом из университета штата Огайо. Эти двигатели самозапускающиеся, с необычными характеристиками, отличающимися от характеристик одноцилиндровых двигателей с кривошипно-шатун - ным механизмом; кроме того, отдельные варианты двигателей могут быть изготовлены без всяких уплотнений для газа. В последнем случае заполнение рабочим телом под давлением и герметизацию двигателей можно производить при их изготовлении, что обеспечит относительно высокую удельную мощность и предотвратит возможное загрязнение движущихся узлов от внешней пыли. В таком исполнении двигатели могут быть применимы для тех случаев» когда их обслуживание является проблемой» т. е. в малоразвитых в техническом отношении странах, в военных целях и для бытовых нужд.
Двигатели Била могут работать в любом положении — в вертикальном, горизонтальном, наклонном или перевернутом. Их конструкция очень проста: в них нет ни пружин, ни клапанов, ни каких-либо других механически действующих узлов.
|
Объем |
|
Рис. 10-1. Основные составные части свободнопоршиевого двигателя Стирлинга (двигатель Била). / — вытеснитель; 2 — рабочий поршень; 3 — шток вытеснителя; 4— полость расширения; 5 — кольцевой регенератор; 6 — полость сжатия; 7 — буферная полость; Pw — давление в рабочей полости; Pfy ~ давление в буферной полости (предполагается постоянным). |
Принцип действия. В двигателе Била имеются три основных элемента: тяжелый рабочий поршень, легкий вытеснитель и цилиндр с уплотнениями на обоих концах (рис. 10-1). Как видно из рисунка, шток вытеснителя относительно большого диаметра проходит через рабочий поршень. Шток вытеснителя полый, с открытым торцом, так что внутренняя полость вытеснителя соединена (и фактически является ее частью) с полостью, расположенной ниже рабочего поршня, называемой буферной полостью. К рабочей полости относится часть'цилиндра над рабочим поршнем, подразделяемая на полость сжатия — между рабочим поршнем и вытеснителем и по
л ость расширения — над вытеснителем. Длинная узкая кольцевая щель между цилиндром и вытеснителем выполняет функцию регенератора между горячей полостью расширения и холодной полостью сжатия. Для полости расширения предусмотрен нагреватель, а для полости сжатия — холодильник.
Рассмотрим систему, показанную на рис. 10-1, находящуюся вначале в положении 0. Давление во всех полостях одинаковое, а температура везде равна температуре окружающей среды. Пусть теперь полость расширения нагревается. С ростом температуры давление рабочего тела в замкнутом рабочем объеме увеличивается от положения 0 до положения 1. Возрастание давления в рабочей полости до определенного значения приведет к перемещению вниз рабочего поршня и вытеснителя. Сила, действующая на рабочий поршень, равна (pw — Рь)(Ас—AR) [17], а сила, действующая на вытеснитель,— AR (pw—Pb). Ускорение рабочего поршня при движении вниз определяется как
АР = (Pw—Рь) (Ac—AR)/Mp, А ускорение вытеснителя
AD = (Pw—Pb)AR/MD*.
Если отношение MP/MD велико (т. е. 10 : 1) и если отношение AR/AC значительно (т. е. 1 : 4), то AD> аР. Поэтому вытеснитель ускоряется быстрее; это приводит к тому, что рабочее тело вытесняется из холодной полости сжатия в горячую полость расширения. Этот процесс ускоряется как ростом давления в рабочей полости по сравнению с давлением в буферной полости (принимаемым постоянным), так и дальнейшим возрастанием ускорений обоих поршней. В итоге рабочий поршень и вытеснитель соприкасаются (положение 2), и с этого момента начинают двигаться вместе. После соприкосновения поршней поток рабочего тела больше не поступает в полость расширения, но поскольку процесс расширения продолжается, давление начинает падать. В положении 3 давление Pw все еще больше, чем давление рь поэтому рабочий поршень и вытеснитель продолжают ускоряться.
Расширение продолжается до точки 4> где давления рабочего тела Pw и буферной полости рь равны. Инерции тяжелого поршня достаточно для продолжения процесса расширения рабочего тела и за точкой равновесия давлений; поэтому давление в рабочей полости падает ниже давления в буферной полости рь таким образом, на рабочий поршень и вытеснитель начинают действовать замедляющие силы (возникающие из-за разности давлений). Вытеснитель, будучи более легким, первым реагирует на это. Замедляющие силы тормозят движение вытеснителя вниз, что приводит к отделению его
от рабочего поршня, продолжающего двигаться вниз. В этот момент рабочее тело начинает перетекать по регенеративному кольцевому каналу из горячей полости расширения в холодную полость сжатия. Это вызывает резкое падение давления в рабочей полости, и между полостями устанавливается большая разность давлений pb~pw. Вытеснитель быстро устремляется вверх к головке цилиндра (точка 6) и остается в этом положении до тех пор, пока давление в буферной полости будет выше давления в рабочей полости.
В некоторый момент рабочий поршень останавливается и начинает подниматься вверх (точка 7) под действием превосходящего давления в буферной полости. Поскольку процесс сжатия все еще продолжается, равенство давлений мгновенно восстанавливается (точка S), а затем давление в рабочей полости будет превышать давление в буферной полости. При таком положении вытеснитель начинает двигаться вниз до соприкосновения с рабочим поршнем в точке 9У и далее цикл вновь повторяется, но без начальной стадии 0-4.
Схема р, V-диаграммы для всей системы показана на рис. 10-1. На практике за один рабочий цикл двигатель не выходит на установившийся режим в отличие от описанного выше.
|
|
Применение двигателей Била. Двигатель Била может быть источником мощности при соединении колеблющегося рабочего поршня с нагрузкой. На рис. 10-2 показан один из вариантов двигателя Била, работающий как газовый компрессор. Поршень и цилиндр компрессора расположены коаксиально относительно рабочего поршня
Объем
Вытеснитель
|
И цилиндра двигателя. Эгби (Agbi, 1971 г.) проводил систематические исследования двигателя такого типа. Характерный вид перемещений рабочего поршня и вытеснителя, периодическое изменение давления, а также общая р, V-диаграмма двигателя приведены на рис. 10-3. В другом варианте, показанном на рис. 10-4, двигатель Била может быть сконструирован таким образом, что легкий корпус цилиндра и легкий вытеснитель сочетаются с очень тяжелым поршнем. Для обеспечения контролируемого движения цилиндра он помещен в направляющей втулке. В такой конструкции колеблются цилиндр и вытеснитель, а поршень остается неподвижным. Нижний торец цилиндра может быть подсоединен к плунжеру гидравлического насоса, а к верхнему торцу подводится теплота от продуктов сгорания топлива или от солнечного концентратора. С такой конструкцией двигателя, работающего от солнечной энергии, проф. Бил добился очень эффективной работы водяного насоса. |
|
Рис. 10-4. Схема свобод - нопоршневого двигателя Стирлинга, работающего на солнечной энергии, для привода водяного насоса. |
|
J_ |
|
О) У Ё С* CD £ Р it |
|
Время |
|
Время |
|
Рис. 10-3. Характеристики двигателя Стирлинга свобод- нопоршневого типа (Била), работающего как воздушный компрессор (по данным Эгби, 1971 г.). |
Рабочий поршень
1 — концентратор солнечных лучей; 2 — полость расширения; 3 — вытеснитель; 4 — кольцевой регенератор; 5 — теплообменник охлаждения змеевикового типа; 6 — полость сжатия; 7 _ рабочий поршень; 8 — направляющая втулка; 9 — Буферная полость; 10 — цилиндр; 11 — плунжер иасо - са; 12 — створчато-клапан - ный насос.
Другие возможности использования двигателя предусматривают либо магнит и генераторную обмотку для получения от системы электроэнергии, либо сдвоенную конструкцию установки, в которой свободнопоршневой двигатель является приводом холодильной машины со свободным поршнем, так что простая труба, нагретая на одном конце, становится холодной на другом. Для бытовых и промышленных печей, работающих на жидком топливе или природном газе, зачастую требуются маломощные источники электроэнергии для привода вентиляторов или водяных насосов. При прекращении подачи электроэнергии порой возникает ряд трудностей, несмотря на то, что газ или мазут (дающие 99,9% энергии) пока недефицитны. Поэтому для замены электродвигателей для тэких случаев имеется потребность в приводных системах, работающих от внешнего подвода теплоты. Обычные режимы сжигания топлива отвечают требованиям работы таких приводов. Здесь важно отметить, что термодинамический к. п. д. не имеет значения, так как топливо сжигается главным образом для обеспечения нагревания. В этом случае начальная стоимость, надежность и способность к самостоятельному запуску являются важными критериями. По-видимому, рассмотренные случаи — идеальные области применения двигателей Била.
