Машины, работающие по циклу Стирлинга

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 длительной, 35-летней работы большой группы высококвали­фицированных инженеров, имеющих тесный контакт со многими иностранными компаниями, а сама фирма занимает, вероятно, одно из ведущих мест в мире в исследовательских работах. Но, несмотря на это, ни один из двигателей Стирлинга не был продан фирмой «Филипс». Следует также отметить, что «Дженерал моторе», одна из крупнейших мировых корпораций, работала по лицензиям фирмы «Филипс» еще с 1958 г. и после 20-летних значительных достижений прекратила эти работы. В то же время фирма ^Филипс» и две дру­гие фирмы, работающие по ее лицензиям, ведут работы, очевидно, стимулированные мотивами прибыли, тем самым показывая, что они рассматривают исследования по двигателям Стирлинга как за­служивающие внимания. Результатом увеличивающейся заботы об­щества об охране окружающей среды является принятие законода­тельства о чистых, бесшумных двигателях, что, несомненно, при­ведет к увеличению стоимости и к усложнению двигателей внутрен­него сгорания и тем самым обеспечит благоприятную возможность двигателям Стирлинга успешно конкурировать с существующими двигателями для транспортных систем. Поэтому в предстоящее десятилетие будет складываться интересная ситуация, исход кото­рой трудно предсказать.

С осторожностью выбирать рынки сбыта. Разработка двига­телей Стирлинга как жизнеспособной замены бензиновых двигате­лей внутреннего сгорания и дизелей — трудная и почетная задача, но требует огромных затрат и времени.

Вероятно, имеет смысл рассмотреть менее масштабные области техники, где конкуренции (такой, как с двигателями внутреннего сгорания) не существует. Очевидно, к ним относятся те небольшие области применения двигателей Стирлинга, где требуются уста­новки с автономной и надежной работой электрогенераторов с ис­пользованием химической, ядерной или солнечной энергии. В этом случае общий коэффициент преобразования энергии в установке около 20% является вполне удовлетворительным, поскольку един­ственный конкурент — термоэлектрические генераторы имеют от 4 до 7%. Широкая возможность выбора как радиоизотопного, так и других видов топлив вполне достаточна, чтобы окупить дорогую, вручную сделанную машину. Заказчиков таких систем очень много. К ним относятся все государственные береговые службы, связанные с навигацией, гражданские и военные ведомства, а также железно­дорожные компании. Их заинтересованность простирается от очень небольших машин (мощностью 20—50 Вт) до двигателей мощностью в несколько киловатт. Двигатели должны быть простыми по кон­струкции, несложными в эксплуатации, с умеренными средними значениями удельной мощности и с приемлемыми эффективными к. п. д.

Существует рынок сбыта и для небольших и дешевых электро­генераторов, работающих на солнечной энергии и способных обеспечить зарядку аккумуляторов в дневное время, которые затем используются для освещения. По-видимому, аналогичное примене­ние имеется и для водяных насосов с приводом от двигателей, преобразующих солнечную энергию. Двигатели Стирлинга мощ­ностью до 7,35 кВт (10 л. с.) (сравнительно большие, бесшумные, на­дежные, малооборотные, со средним значением эффективного к. п. д., работающие на природном топливе) могут заинтересовать владельцев Яхт для использования в качестве силовой установки и источника электроэнергии. Машины, работающие по обратному циклу Стирлин­га, могут найти применение в целом ряде рефрижераторных устано­вок (или в кондиционерах воздуха) в транспортных системах или в общественных зданиях как с электрическим приводом, так и с при­водом от двигателя, составляющих единый блок.

Избегать сложностей. История двигателей Стирлинга содержит много претенциозных примеров, усугубленных неудачами. Для того чтобы вникнуть в какую-нибудь область, необходимо получить опыт на небольшой одноцилиндровой машине. Вначале нужно из­бегать применения сильфонов, диафрагм, сложных механизмов, кла­панов и материалов с неизвестными свойствами: их можно будет применить в двигателях несколько позже, если после серии экспери­ментов они еще будут казаться заманчивыми. Далее необходимо также избегать соблазна сделать конструкцию двигателя настолько гибкой, чтобы можно было изменять в широком диапазоне любой из его параметров. Это — общая ошибка, и почти всегда она при­водит к компромиссной конструкции двигателя со множеством фланцев и с относительно массивными теплопроводными узлами, h Теплообменники. Тепловые потоки в двигателе чрезвычайно важны для достижения успеха. Мы должны отделить горячую и холодные зоны в машине, используя, возможно, для этого длинный кольцевой регенеративный канал, как об этом уже говорилось в гл. 7. В целях уменьшения тепловых потерь влияние теплопровод­ных частей должно быть сведено до минимума путем использования тонких стенок деталей; кроме того, должна быть предусмотрена также и тепловая изоляция (теплозащитные экраны от излучения и теплопроводности).

В конструкции машины должно быть всегда использовано водя­ное охлаждение, поскольку коэффициент теплопередачи от рабочего тела к жидкости на несколько порядков выше, чем в случае 'охла­ждения газом. Теплообмен между горячим газом и стенкой и между стенкой и рабочим телом как в холодной, так и в горячих зонах двигателя должен быть улучшен использованием развитых поверх­ностей.

Конструкционные материалы. Лучшим материалом для уплот­нений и подшипников является материал марки RULON. В первых образцах двигателей нет необходимости в закалке или в нанесении покрытия на трущиеся поверхности деталей, изготовленных из мяг­кой или нержавеющей стали, кроме твердого анодирования алю­миниевых трущихся поверхностей. В предварительных испытаниях RULON может быть смазан вязким светлым машинным маслом. Это является лучшим способом разрешить проблему длительной смазки и лучшим направлением в изучении этого вопроса.

Следует избегать также использования в качестве рабочего тела двигателя водорода~или гелия: водород опасен, а гелий дорог. Ис­пользование этих газов во всех случаях, за исключением экспери­ментальных двигателей, повлечет за собой почти неразрешимые проблемы уплотнений. Вместо этого рекомендуется использовать воздух. В этом случае воздух может быть быстро восполнен с по­мощью небольшого насоса с приводом от двигателя.

Далее в первых образцах машин следует избегать применения специальных высокотемпературных сплавов. Они дорогие, трудно­обрабатываемые и могут оказаться ненужными. Для горячей зоны можно использовать обычную нержавеющую сталь, а для осталь­ных частей двигателя — малоуглеродистую сталь или алюминий.

Экономичность в изготовлении. При изготовлении необходимо избегать лишних операций, но это ни в какой мере не должно отра­жаться на самой конструкции. Часто отдельные узлы наиболее вы­годно изготовить из целой массивной заготовки, в то время как в серийном производстве могут быть использованы либо литые де­тали, либо уже готовые узлы. Для уменьшения тепловой инерции не рекомендуется применять различные соединения в зоне высоких температур, такие как фланцевые или другие соединения, прокладки и т. д.; лучше в этом случае обходиться без сварки с помощью простой пайки с малой массой применяемого металла.

[I] По данным ООН иа март 1976 г. население Земли достигло 4 млрд., а к 2000 г. .должно составить 6 млрд. 637 млн. человек. В среднем каждый день население Земли увеличивается на 195 тыс. человек. На 1975 г. суммар­ная устаиовлеиная мощность всех электростанций в мире составляла пример­но 1250 Г Вт.

[2] Структура мирового энергобаланса 1970 г. в пересчете на нефтяной эквивалент следующая: уголь 1600 млн. т (33,5%), иефть 2210 млн. т. (46,5%), природный газ 830 млн. т (17,5%), гидроэнергия и атомная энергия 120 млн. т (2,5%), всего 4750 млн. т (100%).

[3] В 1975 г. во всем мире было несколько сотен миллионов автомашин, причем около 220 млн. — легковых. В Москве к середине 1976 г. насчитыва­лось почти 200 тыс. личных автомобилей, что составляло половину город­ского транспорта. Ежегодный прирост только личных автомобилей в Моск­ве около 30 тыс.

[4] В 1970 г. мировое потребление водорода составило около 18 млн. т

[5] Доктор Мейер — ведущий специалист по двигателям Стирлинга фирмы «Филипс». (Прим. перев.)

[6] Под термином «холодильные машины» здесь подразумеваются вообще машины, работающие по обратному циклу Стирлинга. Криогенные газовые машины (КГМ) — это холодильные машины, работающие по обратному циклу Стирлинга с температурного уровня Т 100 К (ожижители газов и криогенные рефрижераторы). (Прим. перев.)

[7] Wallace F. J., Linning W. A. Basic engineering thermodynamics. Sir Isaac Pitman and Son Ltd., London.

В СССР хорошо известен ряд книг по технической термодинамике, как, например, Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. А. Техническая термо­динамика. — М.: Энергия, 1968; Вукалович М. П., Новиков И. И. Техни­ческая термодинамика. — М.: Энергия, 1968; Ястржембский А. С. Техническая термодинамика. — М.: Энергия, 1953. (Прим. перев.)

[8] Термодинамические функции подразделяются на параметры (р, V, Т) И функции (t/, J, S) состояния системы. (Прим. перев.)

Лт

Подводимая теплота ^Х-^Те-ТС

Те

Полученный к. п. д. равен к. п. д. цикла Карно. Для холодильной машины Тс > ТЕ, т. е. т > 1, и холодильный коэффициент

_ отводимая теплота ______ Q _________ 1 _____ Те

Затраченная работа Q — Qc 1 — т ТЕ — Тс

Для теплового насоса Тс > ТЕ, т. е. т > 1, и коэффициент эф­фективности теплового насоса

_ отводимая теплота ______ Qc т Тс

Затраченная работа Q — Qc 1 — т ТЕ—Тс Этот коэффициент обратен термическому к. п. д. двигателя.

[10] Подобное расположение цилиндров часто называют барабанным. (Прим. перев.)

[11] Перемещение массы рабочего тела в машинах Стирлинга осуществля­ется по сложному закону. Вследствие смещения поршней по фазе и эффектов сжатия to расширения рабочее тело в одно и то же время в различных поло­стях машины может перемещаться в разных направлениях. (Прим. перев.)

[12] Использующийся в отечественной технической литературе коэффи­циент сопротивления трения | при расчете гидравлического сопротивления

^Др = g ——связан с фактором трения Фаннинга соотношением | = = 4Np. (Прим. перев.)

■ * Температура кипения жидкого воздуха. (Прим. перев.)

[14] Температура кипения жидкого водорода. (Прим. перев.)

[15] Наиболее полное описание функций и работы сердца приведено в книге: Longmore D. The Heart. World University Library, Weindenfeld and Nicol- son (1971), London.

[16] А с и AR — площади поперечных сечений соответственно рабочего поршня и штока вытеснителя; Мр и Мо — массы рабочего поршня и вытес­нителя. (Прим. перее.)