Машины, работающие по циклу Стирлинга

Электрогенераторы малой мощности

Существует много областей применения для электрогенераторов малой мощности, способных работать автономно в отдаленных райо­нах в течение длительного времени. Уровень их мощности коле­блется от 5 Вт до 5 кВт, но особенный Интерес представляет диа­пазон от 200 до 500 Вт. Такие электрогенераторы требуются для многих целей, но в основном для снабжения электроэнергией систем навигации, таких как маяки и буи, автоматические метеостанции, а также для телеметрии и станций усиления связи. Они могут быть использованы под водой как для гражданских, так и для военных целей, в горах, в недоступных районах Арктики и в аварийных навигационных ситуациях. Для большинства областей применения главным критерием является надежность. Практических ограниче­ний по массе, габаритам и частоте вращения для таких энергоуста­новок нет. Также не важны режимы пуска и останова, поскольку в большинстве случаев имеется возможность подключения системы аккумуляторных батарей для отвода избыточной мощности (напри­мер, ночью), в то время как электрогенератор продолжает выраба­тывать постоянную мощность в устойчивом режиме. Регулирование и контроль за работой двигателя не являются серьезной проблемой. В большинстве случаев предпочтительней (и легче) регулировать электрические параметры системы, чем параметры самого двига­теля.

Эффективный к. п. д. двигателя — очень важный фактор, опре­деляющий необходимый запас радиоизотопного или природного топлива как источника теплоты. Однако полный коэффициент пре­образования тепловой энергии в электрическую, составляющий около 20%, считается очень высоким, поскольку у другой возмож­ной термоэлектрической системы преобразования полный коэффи­
циент составляет 8% и менее. В настоящее время ни дизелей, ни других двигателей внутреннего сгорания с достаточной степенью надежности для указанных диапазонов мощностей нет. Двигатели Стирлинга представляются идеально подходящими для этих целей, и кажется странным то обстоятельство, что фирма «Филипс» отказа-

1

Рис. 9-3. Схема энергосистемы с изотопным

Источником. 2

1 — электрический генератор; 2 — двигатель Стирлинга; 3 — зона конденсации тепловой трубы; 4 — тепловая 3 изоляция; 5 — зона испарения тепловой трубы; б — ис­точник энергии — матрица с изотопным топливом; 7 — Биологическая защита; 8 — противопожарная н противо - Ч - ударная защита; 9 — система теплообменников охлаж­дения (тепловая труба |с конденсацией фреона); 10 — Регулирование температуры и теплообменник отвода с теплоты (газовая секция двухфазной двухкомпонентной ~ тепловой трубы). 0

7 Й

Лась от своих дальнейших разработок электрогенератора малой мощности с воздушным охлаждением, который по своим данным достаточно хорошо удовлетворял указанным выше требованиям. После нескольких дополнительных лет исследований эта установка могла бы с большим успехом использоваться для гражданских, военных, морских и сухопутных целей.

Исследования, приведшие к разработке двигателя Стирлинга малой мбщности с радиоизотопным источником теплоты, были пред­приняты автором в университете Калгари (Calgary) по просьбе Управления по атомной энергии Канады в 1969 г. Предполагалось, что в качестве топлива будет использован ^Со, в результате ра­диоактивного распада которого выделяется тепловая энергия с об­щим коэффициентом .преобразования энергии около 20%. Период полураспада изотопа в0Со составляет 5 лет, а ресурс работы элек­трогенератора предполагался равным 2,5 года. Схема предложенной системы приведена на рис. 9-3. Источник энергии представляет со­бой ряд таблеток из воСо диаметром 6,35 мм и такой же толщины, содержащихся в матрице из урана и заключенных в соответствую­щую металлическую оболочку. Гамма-излучение в0Со замедляется матрицей, а энергия частиц идет на нагревание самой матрицы. В этой системе возможно достижение рабочей температуры около 600°С. Не все гамма-излучение задерживается в матрице; поэтому требуется толстый слой биологической свинцовой защиты массой около 2000 кг и дополнительный внешний экран из малоуглеро­дистой стали, обеспечивающий пожарную безопасность. Теплота, генерирующаяся внутри матрицы, идет на испарение жидкометал - лического теплоносителя в системе тепловых труб, соединяющих источник энергии с двигателем Стирлинга, служащим приводом элек­трогенератора и расположенным за свинцовой защитой. Можно
было бы расположить двигатель и электрогенератор рядом с источ­ником теплоты, но это повлекло бы за собой увеличение необходи­мой массы свинцовой защиты до значения, большего максимальной нагрузки крупнейших вертолетов. По крайней мере, необходим один изгиб тепловой трубы на 90° для предотвращения радиоактив­ного свечения из-за гамма-радиации вдоль трубы.

Использование тепловой трубы представляется выгодным, так как это уже готовое устройство для «сброса» избытка тепловой элергии. Автоматический сброс теплоты необходим как мера безопасности в случае заедания (или, другими словами, останова двигателя) для предотвращения перегрева (и возможного испарения) источ­ника энергии^ последующим выделением радиоактивных продуктов. Отводимая от источника тепловая мощность вначале больше расчет­ной на значение, достаточное для компенсации постепенного умень­шения тепловыделения из-за конечного периода полураспада изо­топа. Для воСо с 5-летним периодом полураспада тепловая мощ­ность падает приблизительно на 25% в конце 2,5-летнего периода.

Предлагаемая тепловая труба является двухкомпонентной двух­фазной системой, состоящей из газообразного компонента с низким коэффициентом теплопроводности и двухфазного парожидкостного металлического теплоносителя (второй компонент) с высоким коэф­фициентом теплопроводности. Обычно два этих теплоносителя (два компонента) четко разделяются в поле гравитации. Более тяжелый, с хорошей теплопроводностью металлический теплоноситель сосре­доточен в надежно изолированной главной секции трубы, соединя­ющей источник энергии и двигатель. Более легкий газообразный теплоноситель сосредоточен в верхней излучающей секции.

При расчетной температуре поверхность раздела металлического и газообразного теплоносителя находится внутри изолированной секции, но при подводе тепловой мощности, превышающей расчет­ную, температура увеличивается, вызывая одновременно и рост давления. В этом случае поверхность раздела достигает тепловой трубы по мере того, как сжимается газовый теплоноситель; вслед­ствие этого пар с высокой теплопроводностью проникает в газовый с высокой излучающей способностью теплоноситель, и теплота от­водится до тех пор, пока поверхность раздела не возвратится в изо­лированную секцию. Холодильная система имеет вторую тепловую трубу, в которой в качестве охлаждающей жидкости используется фреон, кипящий на стенках холодильника и конденсирующийся в охлаждаемой воздухом излучающей секции. Такая труба пред­почтительней простой водяной рубашки охлаждения с циркуля­цией воды, осуществляемой насосом с приводом от коленчатого вала двигателя.

В разработке двигателя для указанной выше системы были до­стигнуты значительные успехи. Прототип такого двигателя, создан­ного в 1971 г. в университете Калгари на основе результатов более ранних исследовательских установок, изображен на рис. 9-4. В на­стоящее время в фирме «Тринити хауз лайтхауз сервис» (Trinity

House Lighthouse Service) ведутся предварительные исследования с целью определения возможностей работы такого двигателя с ка­мерой сгорания. Необходимость такого двигателя, способного рабо­тать на дизельном топливе или на сжиженном природном газе, диктуется потребностью его применения в навигационных буях и маяках для автономной работы в течение более одного года. В ка­честве прототипа такого двигателя предполагается использовать

Относительно простой двигатель «Чайпуайн» (Chaipwyan), выпол­ненный по обычной (или V-образной) схеме с использованием воз­духа как рабочего тела и с диафрагменным компрессором (с приво­дом от двигателя) для поддержания давления в картере. Это будет достаточно тяжелый, с низкой частотой вращения и средним эффек­тивным к. п. д. двигатель, основное внимание в котором будет уде­лено вопросам надежности с целью обеспечения его длительной ав­тономной работы.