Читальный зал -->  Машины цикла стирлинга 

1 2 3 4 [ 5 ] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

пературы продуктов сгорания и охлаждающей воды соответственно равны 2800 и 280 К- Предельная температура, ограничивающая применение конструкционных материалов (термический предел) для расширительного цилиндра и нагревателя, составляет около 1000 К. Это означает, что между продуктами сгорания и стенкой цилиндра имеется резкий температурный градиент (2800-1000 К), что способствует достижению высоких коэффициентов теплоотдачи. Кроме того, если температурные градиенты между рабочим телом и полостями расширения и сжатия соответственно равны 100 и 50 К, то можно считать, что диапазон изменения температуры рабочего тела в цикле составляет от 280 + 50 = 330 К до 1000- 00 = 900 К-Несмотря на то что термический к. п. д. для системы с циклом Карно (или Стирлинга) может быть подсчитан как

г = - 2? . 1000/0 = 4. 100о/о = 900/0

2800

2800

будет более правильным вычислить его следующим образом:

3000-1

2000 -

i 1000 -f- г

800 -S 700 -

Яг 600 -С 500-

200-

Т1к= .100о/о =iZO .iooo/o=B30/o.

900 900

Данный пример характеризует одну из главных причин, затрудняющих использование двигателей Стирлинга в коммерческих целях: для него, как и для газовой турбины, основной вопрос - это вопрос конструкционных материалов. Некоторые части двигателя (нагреватель и полость расширения) постоянно подвергаются воздействию высокой температуры, и это обстоятельство накладывает ограничение на использование конструкционных материалов в указанных узлах двигателя.

Допустимые значения температуры рабочего тела в двигателе Стирлинга меньше допустимых значений температуры двигателей внутреннего сгорания, работающих по циклам Отто или Дизеля, где воздействие максимальных температур в цикле кратковременное. Таким образом, хотя регенеративные циклы при заданных температурах термодинамически более эффективны, чем циклы Отто или Дизеля, практически они сравнимы

Рис. 3-4. Характерное распределение температур в двигателе Стирлинга, в котором Для нагревания используется природное топливо, а Для охлаждения - вода. / - температура продуктов сгорания; 2 - температура стеиок нагревателя; 3 - средняя температура полости расширения; 4 - средняя температура полости сжатия; 5 - температура охлаждающей воды и стеиок холодильника.

с газовыми (или нефтяными) двигателями, работающими при существенно больших перепадах температур.

Не все количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива, может быть передано рабочему телу, поскольку в противном случае потребовался бы очень громоздкий нагреватель. Выбрасываемые горячие выхлопные газы --это прямые потери теплоты, поскольку платить приходится за всю энергию, содержащуюся в жидком горючем или в газе, но полезно не используемую полностью в двигателе. Поэтому другим важным дополнительным теплообменником является подогреватель воздуха, предназначенный для подогрева поступающего в двигатель воздуха от теплоты выхлопных газов. Этот теплообменник может быть как рекуперативного, так к регенеративного типа. В рекуперативном теплообменнике два потока газа - выхлопные газы и поступающий в двигатель воздух разделены стенками каналов. В регенеративном теплообменнике происходит попеременное чередование газовых потоков при прохождении их через одну и ту же насадку регенератора; обычно это противоточные теплообменники. Важно тщательно различать регенеративный теплообменник, являющийся неотъемлемой частью двигателя, и рекуперативный (или регенеративный) теплообменник, выполняющий лишь вспомогательную роль подогревателя воздуха в двигателе.

Итак, непрерывное возвратно-поступательное движение отдельных узлов двигателя, неизотермичность процессов сжатия и расширения, ограниченная возможность теплопередачи в холодильнике и нагревателе, потери теплоты с выхлопными газами, наличие гидравлического сопротивления - вот главные причины, ограничивающие в большинстве случаев возможности конструкторов осуществить желаемое в реальном двигателе Стирлинга. Этому есть и другие причины: неудовлеторительная работа регенератора, большие механические потери, выравнивание температур как следствие относительно массивных теплопроводных частей двигателя и утечки рабочего тела, обусловленные несовершенством конструкции или неудовлетворительной работой уплотнений.

глава четвертая ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ С ЦИКЛОМ СТИРЛИНГА

4-1. идеальный цикл стирлинга

Уравнения, используемые при анализе идеального цикла Стирлинга, приведены ниже. Из-за большой степени идеализации цикла Стирлинга эти уравнения можно применять только для предварительных элементарных расчетов. Введем основные положения и обозначения для этих уравнений, исходя из рис. 2-3 и рассмотрения идеального цикла в гл. 2:

1> некоторые из исходных параметров, такие как температура, давление или объем, описывают состояние /;

2) отношение температур х = TJT ;

3) отношение объемов г = К акс/ н

Для единицы массы рабочего тела идеального газа из характеристического уравнения состояния идеального газа следует, что

Каждый из четырех процессов цикла характеризуется параметрами и функциями состояния.

Изотермический процесс сжатия (1-2) (см. рис. 2-3). В этом процессе теплота отводится от рабочего тела при минимальной температуре цикла. Работа, затраченная на сжатие рабочего тела, эквивалентна теплоте, отводимой из цикла. При этом внутренняя энергия не изменяется, а энтропия уменьшается и

Отводимая теплота Q равна затраченной работе W и составляет

Изменение энтропии

/ 1 \

(S-Sj) = R\n

Регенеративный процесс теплоотдачи при постоянном объеме (2-3). В рассматриваемом процессе теплота передается от насадки регенератора к рабочему телу; температура рабочего тела увеличивается от Г до Тмакс- Работа в этом процессе не производится; внутренняя энергия и энтропия рабочего тела возрастают. При этом

Количество теплоты, воспринимаемое рабочим телом, составляет Q = C,(T,-T,).

Затраченная работа

Г = 0.

Изменение энтропии

S, - S = C ln

Изотермический процесс расширения (3-4). В этом процессе теплота подводится к рабочему телу во время расширения при температуре Гакс- Работа, получаемая при расширении рабочего тела, эквивалентна количеству подводимой теплоты. Внутренняя энергия рабочего тела не изменяется, а энтропия увеличивается.

При этом

Р4 =

т. = т..

Подводимая теплота Q равна полученной работе W и составляет РзКз1п/- = Тз1п/-.

Изменение энтропии

Регенеративный процесс теплоотдачи при пост.оянном объеме (4-1). В рассматриваемом процессе теплота передается от рабочего тела к насадке регенератора; температура рабочего тела уменьшается от Г акс ДО Тмин- Работа в этом процессе не производится; внутренняя энергия и энтропия рабочего тела уменьшаются. При этом

Количество переданной теплоты

Q = C,(Ti-T,).

Изменение энтропии

5i -54 = С 1пт.

В регенеративных процессах теплота, переданная от насадки регенератора рабочему телу в процессе (2-3), вновь воспринимается ею от рабочего тела в процессе 4-1. Внешнего притока теплоты к рабочему телу и ее потерь нет. Поэтому:

подведенная теплота (при Гакс) Qe = Rs In . отведенная теплота (при Т ) Qc = RTi In (1/r). Тогда термический к. п. д. составит:

Qe - Qc ЯГз\пг - RTilnr

Т1т =

Это выражение аналогично выражению для к. п. д. цикла Карно при тех же уровнях температур.

4-2. цикл шмидта

Классический анализ работы двигателей Стирлинга был предложен Шмидтом в 1861 г. В теории предусмотрено гармоническое движение поршней и отдельных узлов машины, но оставлены как основные допущения изотермичность процессов сжатия и расширения и идеальность регенерации. Таким образом, и эта теория идеализированная, но, несомненно, более реалистичная, чем идеальный цикл Стирлинга. Прн разумно осторожном подходе к интерпретации полученных результатов теория Шмидта может быть полезна при расчете двигателей.

Попытки рассмотреть более реальную задачу, модифицировав предположение об изотермичности процессов сжатия и расширения и идеальности регенерации, связаны со значительными трудностями и приводят к решениям в незамкнутой форме, требующим применения цифровых или аналоговых ЭВМ. Подробное рассмотрение данного вопроса выходит за рамки этой книги. Опыты показывают, что отдельные попытки разработок машин в большинстве случаев связаны с использованием надежной, относительно простой идеализированной теории с последующей инженерной проработкой изделия в металле. Моделирование и оптимизация конструкций двигателей оправданы только для достаточно развитых исследовательских программ и разработок или в исследованиях, носящих академический характер.

Основные допущения, принятые в цикле Шмидта:

1) регенеративные процессы идеальные;

2) мгновенные значения давлений в системе одинаковые;

3) рабочее тело подчиняется уравнению состояния для идеального газа pV = RT;

4) отсутствуют утечки рабочего тела; масса рабочего тела остается постоянной;

5) изменения объемов газа в рабочих полостях происходят синусоидально;

6) температурный градиент в теплообменниках отсутствует;

7) температуры стенок цилиндра и поршня постоянны;

8) в полостях цилиндра происходит идеальное перемешивание рабочего тела;

9) температура рабочего тела во вспомогательных полостях системы постоянна;

10) частота вращения машины постоянна;

11) условия состояния - установившиеся. Обозначения, использующиеся в последующем анализе :

Л = (т -f 2тА cos а + k );

В = (т + А + 2S);

К - постоянная;

М - общая масса рабочего тела;

N - частота вращения вала машины;

р - мгновенное давление цикла;

Рмакс - максимальное давление цикла;

Рср - среднее давление цикла;

Рмнн - минимальное давление цикла;

Р - полезная мощность двигателя; р

Pj,=- ---безразмерный параметр мощности, отнесенный

к единице массы рабочего тела;

* Строчные буквы в индексе отиосятся к мгиовеииым значениям температуры, давления, объема и массы; прописные-к максимальным (или по-стояииым) значениям тех же параметров; Е или е относится к полости расширения; С или с - к полости сжатия; D или d - к мертвому объему.

макс =--безразмерный параметр мощности, отнесен-

РмаксГ

ный К максимальному давлению цикла и к общему вытесняемому объему;

Q - теплота, сообщаемая рабочему телу в полости расширения, подводимая теплота;

Qm = --безразмерный параметр холодопроизводитель-

ности, отнесенный к единице массы рабочего тела;

макс

- безразмерная величина подводимой те-

(Рмаксг)

плоты, отнесенная к максимальному давлению цикла и к общему вытесняемому объему,

R - газовая постоянная рабочего тела;

S - --приведенный мертвый объем;

Тс - температура рабочего тела в полости сжатия (обычно принимается равной 300 К);

Тр - температура рабочего тела в мертвом объеме;

Те - температура рабочего тела в полости расширения;

Vc - вытесняемый объем полости сжатия; *

Ve - вытесняемый объем полости расширения;

Vd - общий внутренний объем теплообменников, регенератора, соединительных каналов и отверстий (мертвый объем);

Vr = (Vc + Ve) = (1 + k) Ve - суммарный вытесняемый обьем;

Vl = У (1 + cos ф) +-L [1 -f cos (Ф - a)] + Vd- общий

объем рабочей полости;

макс - максимальный объем общей рабочей полости;

X = VqIVe - относительный мертвый объем;

а-угол, на который изменение объема полости расширения опережает изменение объема полости сжатия (в радианах или градусах);

g (T + fe-f2Tfecos ).

e = arctg ;

т-- cos a

k = VqIVe - отношение вытесняемых объемов; x = TqITe - отношение температур; Ф - угол поворота коленчатого вала.

4-3. основные уравнения

Объем полости расширения

v,=-VEi+<osФ).

(4-1)

Заказ № 1035

1 2 3 4 [ 5 ] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

ООО «Мягкий Дом» - это Отечественный производитель мебели. Наша профильная продукция - это диваны еврокнижка. Каждый диван можем изготовить в соответствии с Вашими пожеланияи (размер, ткань и материал). Осуществляем бесплатную доставку и сборку.



Звоните! Ежедневно!
 (926)274-88-54 
Продажа и изготовление мебели.

Копирование контента сайта запрещено.
Авторские права защищаются адвокатской коллегией г. Москвы.