Машины, работающие по циклу Стирлинга

РАБОЧЕЕ ТЕЛО

В теории Шмидта физические свойства рабочего тела не рассмат­риваются, за исключением свойств идеального газа, подчиняюще­гося характеристическому газовому уравнению состояния PV — = RT. Допущения, на которых основывается эта теория, подразу­мевают использование идеализированного рабочего тела со свой­ствами, не встречающимися в природе. Предположение об отсут­ствии гидравлического сопротивления осуществимо только в том случае, если рабочее тело имеет нулевую вязкость. Аналогично идеальная регенерация и изотермичность процессов сжатия и рас­ширения могут быть достигнуты только в том случае, если рабочее тело обладает нереальными значениями удельной теплоемкости и теп л оп ров одн ости.

По-видимому, на практике представляют интерес только три рабочих тела: воздух, гелий и водород. Воздух привлекает своей доступностью. Гелий и водород представляют интерес с точки зре­ния своих термодинамических свойств, а именно тех, которые по­зволяют иметь высокие коэффициенты теплоотдачи и обеспечивать течение газа с относительно низкими гидравлическими потерями. Сточки зрения характеристик двигателя водород лучше, чем гелий, и к тому же намного дешевле, но в присутствии воздуха или кисло­рода он склонен к воспламенению.

В двигателях с высокой удельной мощностью и высоким эффек­тивным к. п. д., работающих при высоких давлениях и большой частоте вращения (более 2000 об/мин), необходимо использовать водород или гелий, с тем чтобы обеспечить высокие коэффициенты тепло - и массообмена при разумном уровне гидравлических потерь. Однако очень трудной задачей остается проблема уплотнений. Кроме того, системы регулирования мощностью двигателя сложные, по­скольку должны включать реверсивное устройство, клапаны и, воз­можно, компрессор для изменения давления рабочего тела, нахо­дящегося в баллоне высокого давления. Стоимость машин такого типа высокая, и, вероятно, будут использоваться двигатели отно­сительно большой мощности, в которых преимущества, связанные с низким уровнем шума и малым загрязнением атмосферы выхлоп­ными газами, оправдывают более высокую стоимость, чем двига­телей внутреннего сгорания. В криогенных газовых машинах, ра­ботающих в режиме ожижения с высокой холодопроизводитель - ностью или в рефрижераторном режиме, должен быть также исполь­зован в качестве рабочего тела гелий или водород.

Двигатели, в которых рабочим телом является воздух, не могут иметь таких высоких коэффициентов тепломассообмена, как в слуг Чае применения водорода или гелия. Обычно такие двигатели гро­моздкие, с низкой удельной мощностью и низким к. п. д. Однако рабочее тело в них может быть легко пополнено из атмосферного воздуха, и поэтому проблем уплотнений и конструкционных ма­териалов для них практически не существует; вследствие этого такие двигатели могут быть простыми, дешевыми и надежными. Двигатели, работающие на воздухе, имеют низкие характеристики и не могут составить конкуренцию двигателям внутреннего сгора­ния ни в случае применения их в транспортных системах, ни в дру­гих, обычных для них областях. Однако существует настоятельная и все увеличивающаяся потребность в двигателях малой мощности (менее 1 л. с.) с высокой надежностью и умеренными средними ха­рактеристиками, способных длительное время работать автономно
(свыше одного года) и использовать природные или радиоизотоп­ные топлива. Потребность в подобных двигателях ощущается в си­стемах навигации, метеорологии и дальней связи, где они могут быть использованы в качестве привода для электрогенераторов. Для таких систем подходят двигатели Стирлинга, работающие на воздухе.

Сравнительные характеристики двигателей с различными рабо­чими телами — воздухом, водородом и гелием приведены на рис. 5-9. Данный график, полученный путем моделирования по {усовершенст­вованной методике расчетов для одноцилиндрового двигателя Стир­линга мощностью 225 л. е., заимствован из работ Мейера (1970 г.).

На графике приведена зависимость эффективного к. п. д. двигателя от удельной мощности двигателя (единица мощности в лошадиных силах на литр вытесняемого объема цилиндра) для различных частот вращения и трех различных рабочих тел (воздух, водород и гелий). При высоких значениях удельной мощности и высоких частот вра­щения водород значительно превосходит гелий-, а кривая для воз­Духа далеко отстает от кривых и для водорода, и для гелия. Однако важно отметить, что при низких частотах и низкой удельной мощ­ности существенного различия между воздухом, гелием и водородом нет. Выбор рабочего тела, ясно определяющий область применения двигателя, является существенным моментом и должен происходить на стадии конструирования. Для двигателей с высокими характе­ристиками и большими частотами вращения должны быть исполь­зованы водород или гелий, а в случае возможности применения двигателей со средними значениями частот вращения и умеренными характеристиками — воздух, как имеющий существенные преиму­щества сточки зрения простоты конструкции и стоимости двигателя.

В будущем возможно применение и других рабочих тел. В на­стоящее время представляют интерес химически реагирующие и двухфазные, двухкомпонентные рабочие тела; о последних будет кратко сообщено несколько позже в гл. 10.