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

Верхние кривые характеризуют температуру рабочего тела и насадки в конце подачи (дутья) горячего рабочего тела и в начале холодного, нижние кривые - температурные условия в конце подачи холодного рабочего тела и в начале горячего. В любой точке по длине насадки температуры могут колебаться в диапазоне между верхней и нижней кривыми в соответствии с зависимостями, подобными тем, что приведены на рис. 7-5.

Цикл регенератора состоит из четырех периодов. Рассматривая течение нагретого рабочего* тела, будем называть периодом дутья

Время

Рис. 7-5. Зависимость температуры рабочего тела и насадки регенератора от времени.

Длина регенератора

Рис. 7-6. Пространственное изменение температур рабочего тела и насадки в регенераторе при циклическом режиме работы для момента изменения направления горячего потока рабочего тела на холодный, имеющими, соответственно, входные температуры Р и Q.

а - температура рабочего тела в конце горячего дутья; Ь - температура насадки в конце горячего н начале холодного дутья; с - температура насадки в конце холодного дутья; d - температура рабочего тела в конце холодного дутья. Точки А, С, X, Y отиосятся к условиям А, С, X н У рис. 7-5,

время, за которое вся масса рабочего тела проходит какую-либо точку регенератора; периодом реверса назовем время между двумя последовательными поступлениями в насадку регенератора рабочего тела. Аналогичные периоды дутья и реверса имеют место и для течения холодного рабочего тела. Как указал в 1948 г. Илифф, в работающих регенераторах на практике периоды дутья и реверса совпадают, поскольку последняя вводимая порция рабочего тела вытесняется другим рабочим телом через отверстие, служащее для ее входа. Если представить себе идеальный регенератор, период дутья в нем всегда меньше, чем период реверса, на время, которое требуется частице газа для прохождения от одного конца регенератора до другого. Поэтому, если этим обстоятельством пренебречь, нужно предположить, что время прохождения частицы через регенератор мало по сравнению с полным временем дутья.

В целях облегчения анализа работы регенератора были приняты и другие важные упрощающие предположения, некоторые из них кратко сформулированы ниже.

1. Теплопроводность насадки должна быть постоянной. Нус-сельт рассматривал четыре случая:

а) теплопроводность насадки бесконечно велика; это означает, что в насадке нет градиента температуры; расчеты Нуссельта указывают на плохие характеристики в этом случае;

б) теплопроводность насадки бесконечно велика в направлении, параллельном потоку рабочего тела, и конечна в направлении, перпендикулярном потоку. На практике это может быть достигнуто в случае очень короткого регенератора с насадкой, имеющей толстые стенки;

в) теплопроводность насадки в направлении, параллельном потоку, равна нулю, а в направлении, перпендикулярном потоку, бесконечно велика;

г) теплопроводность насадки в направлении, параллельном потоку, равна нулю, а в направлении, перпендикулярном потоку, конечна.

Случаи в и г в наибольшей степени соответствуют реальному регенератору, но, к сожалению, их анализ весьма сложен. Шульц (Schultz, I95I г.), Типлер, (1947 г.) и Ханеманн (Hahnemann, 1948 г.) рассмотрели влияние продольной теплопроводности по стенкам каналов регенератора и показали, что в различных случаях это влияние дает незначительный эффект. Саундерс (Saunders) и Смоленик (Smolenlec, 1948 г.) установили, что для многослойных насадок типа сеток или для огнеупорных насадок влияние теплопроводности почти не играет роли.

2. Удельные теплоемкости рабочих тел и насадки не зависят от температуры.

3. Рабочие тела движутся во взаимно противоположных направлениях; при этом считается, что в поперечном сечении их температуры на входе постоянны, и не зависят от времени.

4. Коэффициенты, теплоотдачи и скорости рабочих тел постоянные, не зависящие от времени и координат, хотя и могут быть различными для каждого рабочего тела.

5. Массовый расход каждого рабочего тела в течение периода дутья постоянный (хотя они и могут отличаться между собой), а периоды дутья могут быть различными.

По-видимому, имеется небольшое число теоретических работ, в которых рассматривается регенеративный процесс при условиях, отличных от предположений 2-4, и большинство имеющихся данных относится к режимам с постоянными временами дутья и равными потоками массы. И тем не менее Джонсон (1952 г.), Саундерс и Смоленик исследовали этот последний случай. Кроме того, Саундерсом и Смолеником для частного случая было также рассмотрено и влияние переменной удельной теплоемкости рабочего тела и насадки. Они пришли к выводу, что предположения, сделанные в 2, приводят к ошибке менее чем в I %.

Другой интересный (но нереальный) случай, рассматривавшийся Нуссельтом в 1927 г., относился к регенератору с бесконечно малым

периодом реверса, т. е. с бесконечно большой частотой изменений направлений рабочих тел. Теория этого случая достаточно проста и соответствует рекуператору или обычному противоточному теплообменнику с непрерывным движением двух рабочих тел, разделенных металлическими стенками.

7-6. обсуждение результатов

Результаты расчетов регенераторов, удовлетворяющих вышеизложенным условиям. Могут быть представлены различными зависимостями. Представляет интерес ряд кривых, полученных Хаузе-

ном, приведенных на рис. 7-7. Их можно дополнить аналогичными кривыми, рассчитанными Джонсоном, Саундерсом и Смо-леником. Эти кривые показывают, что эффективность регенератора зависит от двух безразмерных параметров, называемых (по Хаузену) приведенной длиной Л и приведенным периодом П. Приведенная длина (в направлении потока) определяется как

л = М£.

о- 10-20 30 40

Приведенная длина регенератора А

Рис. 7-7. К. п. д. регенератора в зависи мости от приведенной длины Л и приведен ного периода П (по Хаузену).

ницу поверхности; А

где h - коэффициент теплоотдачи между рабочим телом и насадкой на еди-поверхность насадки на единицу длины;

V - объемная скорость потока рабочего тела; Ср - удельная теплоемкость рабочего тела при постоянном давлении; L - длина насадки.

Приведенный период определяется как

где Л и Л определены выше; М ~ масса насадки; С - удельная теплоемкость насадки; Z - время дутья. Обычно Л и П связаны отношением

П.ууСо Z

МС L

называемым фактором использования и представяющим собой отношение количества теплоты, воспринятой рабочим телом при дутье, к количеству теплоты, накопленной насадкой.

На практике регенераторы могут иметь различные приведенные периоды и приведенные длины для горячего и холодного дутья, так что должны рассматриваться четыре значения этих параметров. В этих случаях Саундерс и Смоленик рекомендуют использовать средние значения величин, полагая (на основании расчетов, выполненных Джонсоном), что ошибка будет мала. Это весьма вероятно, так как даже в том случае, когда в действительности времена дутья не равны, приведенные периоды близки друг к другу, поскольку уменьшение реального времени дутья Z обычно связано с увеличением объемной скорости потока рабочего тела V.

Ценность использования двух приведенных безразмерных параметров и кривых эффективности регенератора ограничена точностью определения исходных данных теплообменника. Они обычно измеряются экспериментально с использованием однодутьевой временной аппаратуры, описанной впервые Фернасом (Furnas, 1932 г.), а позднее Саундерсом и Фордом (Ford, 1940 г.), Джонсоном (1952 г.) Саундерсом и Смолеником (1948 г.), Коппаджем, (1952 г.), Рэпли (Rapley, 1960 г.), Васишта (Vasishta, 1969 г.) и Ваном (Wan, 1971 г.). По этой методике насадка помещается в поток горячего газа, подводимого при постоянной входной температуре, и измеряется изменение температуры на выходе в зависимости от времени. Теория однодутьевого режима была впервые предложена Шуманом в 1932 г. и может быть использована для получения на основе измеренных данных коэффициента теплоотдачи для конкретной испытываемой насадки. При этом требуются весьма тщательные измерения и возникают определенные сомнения, могут ли эти данные относиться к регенераторам, работающим в циклическом режиме. Вышеприведенная методика позволяет получать приемлемые значения данных по теплоотдаче; однако из-за несколько отличающихся реальных условий работы регенератора их сравнение представляется затруднительным.

7-7. применение теории к регенерации в машинах стирлинга

Вышеизложенная теория работы регенератора была вначале развита для ожижительных и газоразделительных установок, а также для воздухоподогревателей котлоагрегатов. Эти установки громоздки, в них обычно используются два регенератора: один для нагрева, другой для охлаждения потока газа. Периоды нагрева и охлаждения (времена дутья) весьма велики: от десяти минут до нескольких часов.

Позднее эта теория была переработана и распространена на регенеративные теплообменники газовых турбин. В этом случае периоды нагрева и охлаждения значительно меньше. Так, Коппадж и Лондон (1953 г.) упоминают, что время реверса, составляющее V4 с (два полных цикла в секунду), почти соответствует максимально допустимой частоте, не связанной с чрезмерными потерями на выходе , и далее.: допущение о неперемешйвающихся потоках прием-

лемо в том случае, когда длина пути, проходимого потоком, невелика и для такой небольшой длины теория, по-видимому, хорошо описывает процесс для большинства приемлемых типов поверхностей насадок . Большинство регенераторов в газотурбинных двигателях имеет относительно большую лобовую поверхность и небольшую длину потока, так что хотя время дутья и невелико, время пребывания частицы в насадке также очень мало.

По-видимому, вышеизложенная теория применима в разумных пределах к регенераторам, используемым в газотурбинных двигателях и подогревателях воздуха, но непригодна для регенераторов двигателей Стирлинга. Теория основывается на таких предположениях, которые неприменимы к работе двигателя Стирлинга. Вероятно, главная причина состоит в том, что согласно этой теории время прохождения частицей насадки регенератора мало по сравнению с полным временем дутья. В двигателях Стирлинга времена дутья чрезвычайно малы. Например, при относительно небольшой частоте вращения 1200 об/мин, или 20 циклов в секунду, время дутья в 10 раз меньше, чем минимально допустимое время в газовой турбине. Ранее отмечалось (рис. 7-1), что времена дутья столь малы, что ни одна частица не проходит через насадку. Из рис. 7-2 следовало, что реальное общее время прохождения потока через насадку составляет примерно половину времени полного цикла; оставшееся же время тратится либо на заполнение, либо на опустошение мертвого объема. Процесс теплоотдачи в этом случае представляется весьма сложным, поскольку он связан с повторяющейся от цикла к циклу контактной связью между насадкой и рабочим телом подобно передаче ведра из рук в руки при тушении пожара. Другие существенные допущения теории состоят в том, что параметры на входе: температура, массовый расход и скорость движения рабочего тела считаются постоянными во времени. Очевидно, что для любого регенератора системы с циклом Стирлинга эти допущения невыполнимы. Из рис. 7-1 видно постоянное изменение условий на входе, а на рис. 7-2 приведено предельное изменение массового расхода потока. Максимум расхода потока через насадку составляет примерно лишь половину максимального расхода потока, поступающего в полость расширения и выходящего из нее.

Попытки исследовать регенераторы в двигателях Стирлинга с помощью рекомендуемых методов потребовали введения усредненных условий потока. Чтобы определить эти усредненные значения, требуется настолько грубое приближение, что окончательные результаты представляются весьма сомнительными. На этом этапе исследования не представляется возможным дать рекомендации по применению какой-либо теории для описания работы регенератора.

Хотя в настоящее время положение является неудовлетворительным, есть основания надеяться на его улучшение. Квейл и Смит с сотрудниками в 1968-1969 гг. в Массачу-сетском технологическом институте получили многообещающие результаты. Они рассматривали приближенное решение для тепло-

вых характеристик регенератора с циклом Стирлинга, содержащее неизвестные параметры давления (и массового расхода), которые, возможно, изменяются по синусоидальному закону с разностью фаз при максимальных значениях. Было получено полное решение для разности энтальпий потока с помощью описания температурного поля регенератора посредством квадратного полинома. Эта теория остается в значительной степени идеализированной, поскольку в ней делается предположение о постоянстве во времени температуры газа и насадки в данной точке, а также об отсутствии пристеночных эффектов (трения о стенку). И тем не менее в настоящее время, по-видимому, не существует теории, которая была бы достаточно хорошо развита для непосредственного описания работы регенератора. Кёллер с сотрудниками лаборатории фирмы Филипс в Эйндховене проделал большую, чем кто-либо, работу по исследованию регенераторов в машинах Стирлинга, но, к сожалению, опубликована только небольшая ее часть. Несмотря на то что доктор Кёллер прочитал курс лекций по регенераторам в Высшей технической школе в Делфте в 1969 г., они нигде не были опубликованы.

При другом подходе к проблеме делаются попытки представить регенератор в виде ряда элементов, а время дутья разделить на ряд периодов. По этому методу циклические изменения входных условий потока заменяются предполагаемыми постоянными условиями в пределах одного периода с последующим переходом к новым постоянным условиям для следующего периода. Для получения входных условий для п-го элемента насадки условия на выходе из (п - 1)-го элемента усредняются. Этот метод позволяет увеличивать число элементов насадки до такой степени, что их дальнейшее подразделение не будет оказывать заметного влияния на расчет. Затем все эти элементы представляются как целое семейство небольших регенераторов Хаузена,- для которых имеется достаточно хорошо разработанная теория. Для проведения обычных расчетов этот метод непригоден, поскольку для него требуется наличие высокоскоростной ЭВМ. Это означает, что для быстрого определения оптимальных параметров регенератора должен быть построен целый ряд объединенных графиков.

7-8. экспериментальные данные

Опубликованных сообщений о влиянии несовершенной регенерации на характеристики машин, работающих по циклу Стирлинга, или об экспериментальных исследованиях регенераторов, проведенных при условиях, близких к их работе в реальных машинах, по-видимому, очень мало.

В 1951 г. Дэвис (Davies) и Сингхэм (Singham)пpoвeли серию экспериментов с небольшим тепловым регенератором, состоящим из латунных и медных проволочных сеток, который был помещен в знакопеременный пульсирующий с частотой 5 Гц поток с постоянным объемом воздуха (при атмосферном давлении). Воздух нагре-

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.