ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА

Могли ли первые производители автомобилей объяснить, почелп они предпочли разрабатывать для своих машин двигатели Отто, а не Стирлинга Возможно, у них были свои соображения и предпочтения на этот счет. Хочетсі:

к рить, что от двигателеи Стирлинга отказались не навечно и их широкое по­льзование в будущем все еше может стать перспективным.

Двигатели Стирлинга обладают следующими преимуществами:

1. Их теоретическая эффективность больше, чем у двигателей Отго и Дизеля.

2 Они могут работать на различных видах топлива.

3. Будучи двигателями внешнего сгорания, они оказывают меньшее вредное воздействие на окружающую среду. Хотя при их работе также выделяется диоксид углерода и другие вещества, но благодаря высокой эффектив­ности, удельное количество выбросов невысоко. Они могут работать на топливах, имеющих низкое соотношение углерода и содержащегося водо­рода, что позволяет производить больше энергии на единицу углеродных выбросов.

4. Они являются устройствами с низким уровнем шума, поскольку внутри них не происходит взрыва топлива.

В юбавление можно сказать, что цикл Стирлинга может найти применение хотодильной технике. В этом случае отпадет необходимость использования огически опасных фреонов.

В связи с очень вероятным наступлением эры топливных элементов будущее ы механических тепловых двигателей стоит под вопросом. Тем не менее не it забывать о тепловых двигателях и, в частности, о двигателе Стирлинга. Цикл Стирлинга состоит из процессов изотермического сжатия, изохориче - го подвода теплоты, изотермического расширения и изохорического отво - теплоты (см. табл. 3.4). Эффективность работы двигателя можно увеличить, ользуя регенерацию выходного тепла, более детально описанную чуть позже. :ствует целый рад разнообразных модификаций двигателя Стирлинга, ко - е заслужили репутацию надежных преобразователей энергии. В табл. 3.7 е едены наиболее известные из них.

Во всех конфигурациях используются два поршня. В некоторых ситуаци - один поршень является силовым поршнем, а другой вытеснителем. Различие ними станет более понятным, когда мы рассмотрим несколько примеров, сразу оговоримся, что силовой поршень сжимает газ или, наоборот, совер - работу при расширении газа. Вытеснитель не совершает никакой работы, они служат для передачи рабочего тела из одной области машины в другую, ьинемчтических двигателях оба поршня через систему муфт присоединены ому ведущему валу. В модификации «свободный поршень» сам поршень не інен механически ни с одной частью двигателя.

В модификации «Ringbom» применяются один кинематический и один сво - [ый поршень.

Поскольку модификация «Альфа» является самой простой, здесь мы обсудим бс лее детально.

Рассмотрим два цилиндра, соединенных между собой трубкой так, как это пока­зано нарис. 3.11. Один цилиндр (назовем его «горячий») постоянно подогревается внешним источником тепла, которым может быть огонь, ралиоизотопная капсула, сконцентрированное солнечное излучение и т. д. Температуру газа в цилиндре примем равной Тн. Другой цилиндр (назовем его «холодный») постоянно охла/ - дается проточной водой, направленным на него холодным воздушным потоком, а в небольших двигателях он может охлаждаться путем естественной конвекции Температура газа в этом цилиндре равна Тс То есть, как и любой другой теп­ловой двигатель, он имеет источник тепла и холодильник.

Пространство над поршнем заполнено рабочим газом (на практике это может быть водород или гелий). В данном случае предположим, что рабочий газ имееу у = 1,4. Объем каждого цилиндра в результате движения поршня пусть изменя­ется от 10_3 м3 до нуля, т. е. от 1 л до нуля.

Изначально (положение 0) «холодный» поршень находится внизу своего ци­линдра. Объем рабочего тела в цилиндре 10_3м3, температура Тсо = Тс= 300 К и давление (в обоих цилиндрах) pCj = pm = 105 Па, или 1 атм.

Из закона идеального газа pV= iRTмы можем определить количество газа в холодном цилиндре: 40,1 j 10 6 кмоль.

Количество газа, находящегося в соединительной трубке между цилиндрами, ' дем считать пренебрежимо малым.

Раза 0 —> / (изотермическое сжатие)

-Холодный» поршень движется вверх до тех пор, пока объем газа в цилиндре не станет равным 10 4 м3 (степень сжатия г= 10). Поскольку данный цилиндр одится в непосредственном контакте с холодильником, то выделяемая при ■ ни теплота немедленно отводится и, следовательно, температура рабочего тс г остается неизменной. Другими словами, сжатие происходит изотермически. Г 5емая для его осуществления энергия

vc

= lRTc In —L = 230 Дж. Vc,

В этом процессе температура остается неизменной, тогда как давление воз - . гает в 10 раз.

Состояние газа в точке 1 имеет следующие параметры: VC] = 1(Н .3, Тс= 300 К, = 106 Па.

Фаза 1^2 (переток газа в другой поршень, изохорный нагрев газа)

Чолодный» поршень поднимается вверх до конца, тогда как «горячий» пор - bcІ ь опускается вниз. При этом Vm = 10-4 м3 и Va = 0. Как видно, общий объем і ы не изменился. Находясь в горячем цилиндре, газ нагревается от источника Моты. Предположим, что газ нагреется до температуры 652 К. Для нагрева панной температуры источник тепла должен передать газу некоторое ко-

ество теплоты 0,^2.

'аз. находящийся в двигателе, имеет следующие характеристики: у

^ с = 20,8 кДж/(К • кмоль). Следовательно, количество теплоты, необходимое юохорического увеличения температуры с 300 до 652 К, будет равно

0^2 = Gadd = ЩЛТ = |ІС,; (Тн - Тс) = 40 ■ L0-6 ■ 20,8 ■ 103 (652 - 300) = 293 Дж.

(21)

Поскольку температура газа увеличивается при постоянном объеме, давление газа также должно возрастать. Состояние газа в точке 2: Vm = 10 4 м3, Тн= 652 I.

Р = —Ю6 =2,17- Ю6 Па. m 300

Фаза 2 —> 3 (изотермическое расширение)

Высокое давление рабочего тела действует на «горячий» поршень, опус­кая его вниз до тех пор, пока объем газа внутри цилиндра не станет равным 10 3 м3. Данное расширение газа в соотношении 10:1 приводит к его охлаж­дению, однако тепловой поток, идущий от источника тепла, поддерживает постоянную температуру рабочего тела. То есть имеет место изотермическое расширение, при котором на вал двигателя перелается 500 Дж механической энергии:

Ун <

W2^з = Жехрап = [iRTH 1п —— = 40,1 ■ 10 6 • 8314 • 652 1п10 = 500 Дж. (22)

¥«г

Мы заранее выбрали температуру «горячего» цилиндра равной 652 К только из тех условий, чтобы получить красивое целое значение совершенной работы (500 Дж). При этом источник теплоты передаст рабочему телу соответственно

^3=Оехрап = 500Дж.

Характеристики газа в точке 3: Vm = 10_3 м3, Тн = 652 К, Рт = 2.17 • 10s Па.

Фаза 3 —> 0 (изохорное охлаждение газа)

В конечном итоге поршни возвращаются на исходные позиции. При этом общий объем газа не изменяется. Газ просто переходит из «горячего» в «холодный» цилиндр, в котором изохорически охлаждается до температуры 300 К, переходя в состояние соответствующее точке 0. Таким образом, тер­модинамический цикл полностью завершен. Отведенное в процессе данной фазы тепло

£3^0 = !icvAT = 40 I0-6- 20,8 • 103 (652 - 300) = 293 Дж (23)

И В ТОЧНОСТИ соответствует 6^2-

За один цикл коленчатый вал двигателя при расширении газа получает 500 Дж энергии от «горячего» поршня (JV2_>3) и возвращает 230 Дж во время фазы сжа­тия (JVg^y). Суммарная механическая энергия, которая передается двигателем внешнему потребителю, составляет 500 - 230 = 270 Дж. При этом теплота дваж­ды подводится к рабочему телу: Qx^2 и б2_>з - Общее количество подведенной теплоты 793 Дж.

Эффективность рассмотренного цикла двигателя Стирлинга существенно чьше, чем эффективность соответствующего ему цикла Карно. Однако от­дельно простые модификации данного двигателя позволяют существенно •чшить ситуацию.

Рис. 3.13. Схема установки регенератора на бета-модификацию двигателя Стирлинга

Ранее мы рассматривали ситуацию, когда Q-s >(| = Q, >2. Теплота, которая отво - к. - во время фазы 3 -> 0, может быть регенерирована, т. е. с помощью специ - jro теплообменного аппарата часть этой теплоты может быть использована шессе 1 —> 2. В идеальном случае можно полностью заменить Ql 2 теплотой гнерации. Тогда к данному двигателю потребуется подводить за цикл только cm Q2 >3, равную 500 Дж. Таким образом, при «идеальном» процессе реге - ии можно получить эффективность двигателя Стирлинга

270

Л =------- = 0,54.

500

вндно, она равна эффективности соответствующего цикла Карно.

В двигателе Стирлинга бета-модификации используется только один ци- р (см. его схематичное изображение на рис. 3.14). Нижний поршень иной схеме называется силовым или мощностным. Он очень плотно приле­
гает к стенкам цилиндра, что весьма важно для хорошего сжатия рабочего те л г.. Верхний поршень называется вытеснителем, он прилегает к стенкам цилиндра не совсем плотно, с зазором и поэтому легко может перемещаться внутри ци­линдра. Основной функцией вытеснителя является вытеснение рабочего тела из холодной зоны цилиндра (зона 2) в находящуюся в верхней части цилиндра горячую зону (зона 1).

Фазы этого цикла практически полностью соответствуют фазам рассмотрен­ного выше цикла альфа-модификации. На рис. 3.14 показано, что фаза 1-2 мо­жет быть разделена на две подфазы. В первой подфазе 1-2* вытеснитель пере­мещается вниз и вытесняет газ из зоны 2 в зону 1. В идеальном случае во времь этого процесса энергия не потребляется, поскольку считается, что газ свободно проходит через зазор между поршнем и цилиндром. В период подфазы 2*-2 про­исходит изохорический нагрев рабочего тела.

Основной проблемой данной модификации считается трудность осуществле­ния регенеративного процесса, для которого требуется использовать внешнее соединение зон объемов 1 и 2, как это показано на рис. 3.13.