Машины, работающие по циклу Стирлинга

ЦИКЛ СТИРЛИНГА

Цикл Стирлинга, приведенный отношениях более простым, чем

27

А)

На рис. 2-3, является в некоторых цикл Карно.

Рассмотрим цилиндр, име­ющий два противоположно расположенных поршня с по­мещенным между ними регене­ратором. Регенератор можно рассматривать как некую тер­модинамическую «губку», об­ладающую способностью по­очередно поглощать и отда­вать теплоту. Chi представ­ляет собой металлическую ~ насадку, состоящую из от­дельных тонких проволочек или полосок. Один из двух объемов, расположенный ме­жду регенератором и порш­нями, называемый полостью расширения, находится при высокой температуре Тмакс. Другой объем, находящийся при низкой температуре Тмин, называется полостью сжатия. Следовательно, температур­ный градиент между торце­выми поверхностями регене­ратора равен Гмакс — Гмин; в продольном направлении предполагается, что материал насадки имеет нулевую тепло­проводность. Здесь так же, как и в цикле Карно, прини-

Рис. 2-3. Цикл Стирлинга.

А - р, V- н Т, S-диаграммы; б — по­ложения поршней в основных точках цикла; в — диаграмма «время — пере­мещение».

Мается, что движение поршней происходит без трения и без утечек рабочего тела, находящегося между поршнями.

Предположим, что в начале цикла поршень полости сжатия на­ходится в верхней мертвой точке, а поршень полости расширения — в нижней мертвой точке, около торцевой поверхности регенератора. В таком положении все рабочее тело находится в холодной полости сжатия. Его объем максимальный, а давление и температура мини­мальные; это соответствует точке 1 на р, V- и Т, S-диаграммах (см. рис. 2-3). Во время процесса сжатия (1-2) правый поршень движется по направлению к нижней мертвой точке, а поршень полости расширения остается неподвижным. Рабочее тело сжи­мается в полости сжатия, и давление его увеличивается. Темпера­тура остается постоянной, так как теплота Qc отводится от полости сжатия в окружающую среду.

В процессе 2-3 оба поршня движутся одновременно: поршень полости сжатия к регенератору, а поршень полости расширения — от регенератора. Движение поршней происходит таким образом, что объем между ними остается постоянным. Вследствие этого рабочее тело, проходя через пористую насадку регенератора, переходит из полости сжатия в полость расширения. При прохождении через регенератор температура рабочего тела за счет теплоты насадки повышается от Тмин до Тмакс. Постепенное увеличение температуры газа при прохождении его через насадку регенератора при постоян­ном объеме вызывает повышение его давления.

В процессе расширения 3-4 левый поршень продолжает дви­гаться от регенератора в направлении верхней мертвой точки; правый поршень полости сжатия остается неподвижным в нижней мертвой точке, вблизи регенератора. Поскольку это процесс рас­ширения, то с увеличением объема газа давление его уменьшается. Температура рабочего тела остается постоянной, поскольку те­плота Qe подводится к системе от внешнего источника.

Последний процесс в цикле 4-1, во время которого поршни дви­жутся одновременно так, чтобы возвратить рабочее тело при по­стоянном объеме через насадку регенератора из полости расширения в полость сжатия. При прохождении газа через насадку регенера­тора теплота от рабочего тела передается материалу насадки и вслед­ствие этого температура рабочего тела уменьшается и достигает Тмин — температуры полости сжатия. Теплота, переданная в этом процессе, сохраняется в насадке и передается рабочему телу в процессе 2-3 следующего цикла.

Таким образом, цикл состоит из четырех процессов: 1-2 — про­цесс изотермического сжатия, теплота от рабочего тела с темпера­турой Гмии передается окружающей среде; 2-3 — процесс при по­стоянном объеме, теплота от насадки регенератора передается рабо­чему телу; 3-4 — процесс изотермического расширения, теплота от внешнего источника с температурой Тмакс передается ребочему телу; 4-1 — процесс при постоянном объеме, теплота от рабочего тела передается насадке регенератора.

Если количества теплоты в процессах 2-3 и 4-1 одинаковы, то теплообмен между двигателем и окружающей средой осуществляется путем подвода и отвода теплоты соответственно при Тмакс и Тмии. Такие условия подвода и отвода теплоты при постоянных темпера­турах удовлетворяют выводам второго закона термодинамики для максимального термического к. п. д. цикла; вследствие этого терми­ческий коэффициент полезного действия цикла Стирлинга такой же,

Рис. 2-4. Циклы Стирлинга и Карно. Приведенные циклы даны для одних и тех же значений максимальной и минимальной температур, давлений и объемов. Заштрихованные площади на р, V- и Т, S-диаграммах характери­зуют соответственно прирост вне­шней работы и увеличение коли­чества теплоты в цикле Стирлинга.

Как и для цикла Карно, т. е. Rj = (Тмакс — Тмии)/Тмакс. Основное преимущество цикла Стирлинга перед циклом Карно заключается в замене двух изоэнтропических процессов двумя процессами при постоянном объеме, что существенно увеличивает площадь на р, У - диаграмме. Поэтому для получения достаточной работы в цикле Стирлинга не требуется создавать очень высокие значения давлений и вытесняемых объемов, как в случае цикла Карно.

Рис. 2-5. Циклы Эриксона и Кар­но. Приведенные циклы даны для одних и тех же значений максимальной и минимальной температур, давлений и объемов. Заштрихованные площади харак­теризуют соответственно прирост внешней работы и увеличение количества теплоты в цикле Эрик­сона.

Сравнение р, У-диаграмм циклов Карно и Стирлинга для задан­ных давлений, температур и объемов приведено на рис. 2-4. За­штрихованные площади 5-2-3 и 1-6-4 представляют дополнительную работу, полученную вследствие замены изоэнтропических процессов процессами при постоянных объемах. Изотермические процессы 1-5 И 3-6 цикла Карно продлены, с тем чтобы получить процессы 1-2 И 3-4; таким образом, количество подводимой и отводимой теплоты в цикле Стирлинга увеличивается пропорционально полученной работе. Доля подводимой теплоты, превращенной в работу (терми-, ческий к. п. д. цикла), одинакова для обоих циклов.