ЦИКЛ СТИРЛИНГА
В 1816 г. была запатентована тепловая машина с внешним сгоранием и воздухом в качестве рабочего тела. Цикл Стирлинга включает изотермический теплообмен и изменение давления при
Постоянном удельном объеме, что достигается с помощью внутреннего теплообмена в генераторе.
Цикл поясняется на рис. 2.17 с помощью р—v диаграммы. Изотермическое сжатие от точки 1 к точке 2 происходит при внешнем охлаждении газа. При прохождении через регенератор газ нагревается за счет его тепла, которое является внутренним. Между точками 3 и 4 к газу подводится внешнее тепло, и он расширяется, производя полезную работу, а затем возвращается назад через регенератор, где охлаждается до состояния в точке 1.
Цикл Стирлинга интересен тем,- что все процессы в нем обратимы, а внешний теплообмен проходит изотермически, откуда следует, что идеальный цикл Стирлинга имеет КПД идеального цикла Карно. Это же относится и к холодильной машине и тепловому насосу, работающему по циклу Стирлинга.
Принятая в описании цикла некоторая идеализация не соответствует реальному циклу. Основные допущения таковы:
1. Движение поршня предполагалось прерывистым, а не синусоидальным.
2. Регенератор без трения и со 100%-ной эффективностью.
3. Внешний теплообмен с помощью идеальных теплообменников.
Рис. 2.17. Цикл Стирлинга. |
Теплообменники всегда представляют проблему для машин с внешним сгоранием, и в действительности имеются две существенные разности температур при источнике и стоке тепла. Но, несмо
тря на эти трудности, цикл Стирлинга успешно используется в некоторых низкотемпературных холодильниках.
На рис. 2.18 показана элегантная конструкция с V-образным поршневым компрессором.
В положении 1 газообразное рабочее тело сжимается и изотермически отдает тепло тепловому стоку — наиболее горячей точке цикла. В положении 2 газ проходит через регенератор при почти постоянном объеме, а затем расширяется, одновременно воспринимая тепло. Регенератор охлаждает газ, так что в этой точке достигается минимальная температура цикла. В положениях 3 и 4 газ возвращается через регенератор снова при почти постоянном
| / 2 3
Рис. 2.18. Холодильная машина по циклу Стирлинга. / — камера расширения; 2 —поглощение тепла; 3 — рассеяние тепла; 4 — камера сжатия; 5 — регенератор. |
Объеме, но здесь газ значительно более разрежен, и он поглощает тепло от регенератора.
Очевидно, что в этой реальной машине имеется компромисс между идеальными процессами при постоянном объеме и постоянной температуре, но ее эффективность остается высокой, и в этой области проводятся интенсивные работы. Одна из разновидностей описана в работе [4] — это свободнопоршневой двигатель — тепловой насос по циклу Стирлинга, названный Дуплекс—Стирлинг (рис. 2.19).
Считая теплообмен изотермическим, в [4] показано, что тепловой насос дает теплоту
Приравнивая потоки тепла в работе [4] таким образом, как в § 2.7 Для двойного цикла Ренкина, подсчитали КПЭ системы. Результаты приведены в табл. 2.2.
В сравнении с эффективностью, рассчитанной для двойного цикла Ренкина, эти цифры предпочтительнее, но окончательный
| Холодильная машина ПриМнвИ їїдигатель
Рис. 2.19. Цикл Дуплекс — Стирлинг. / — иизкопотеициальное тепло; 2 — камера расширенна; 3 — регенератор; 4 — камера сжатия; 5 — поршень; 6 — тепло от нагревателя; 7 — сброс тепла при окружающей температуре. |
Вывод о преимуществах сравниваемых систем можно будет сделать после создания и испытания работающих систем со всеми их теплообменниками.
Таблица 2.2. КПЭ для теплового насоса с двойным циклом Стирлинга
|
