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

вался с одной стороны регенератора и охлаждался с другой. Для обеих сторон насадки производилась непрерывная запись температуры воздуха. На основании этих экспериментов были сделаны следующие выводы:

1) для данной сетчатой насадки к. п. д. регенератора увеличивается с массой насадки; однако это увеличение связано с постепенным уменьшением расхода;

2) для заданной массы насадки к. п. д. регенератора возрастает с уменьшением диаметра проволоки (в сетчатой насадке).

Исследования, проведенные с медными и латунными сетками равной массы, дали примерно одинаковые значения к. п. д. регенератора. Таким образом, хотя теплопроводность меди втрое больше, чем латуни, это, по-видимому, не оказывает заметного влияния. На основании этого пришли к выводу, что при использовании указанных тонких проволок падение теплопроводности весьма незначительно. В этих экспериментах к. п. д. регенератора определялся по исследованию непрерывных записей температуры рабочего тела, производимых на каждом из концов насадки регенератора.

Эксперименты Уокера в 1961 г. на криогенной газовой машине фирмы Филипс при работе с рядом различных регенераторов подтвердили второй вывод, полученный Дэвисом и Сингхэмом, а именно, что уменьшение диаметра проволоки приводит к увеличению к. п. д. регенератора. В качестве определяющей характеристики машины, работающей при постоянной частоте вращения и среднем давлении рабочего тела, была взята холодопроизводительность по жидкому воздуху. Уменьшение диаметра проволоки при почти постоянных массе й пористости насадки приводило к увеличению поверхности теплообмена.

Работа, проведенная Мурреем (Murray), Мартином (Martin), Бейли (Bayley) и Репли в 1961 г., й некоторой степени проливает свет на характеристики регенераторов при синусоидальном законе изменения параметров потока. Было показано, что частота слабо влияет на процесс теплоотдачи, в то время как форма волны имеет существенное значение. В пульсирующемпотоке к. п. д. исследуемой сеточной насадки был заметно ниже, чем при установившихся условиях потока. Было отмечено, что при неустановившемся потоке применение пламеуловителя приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи.

7-9. практические рекомендации по конструкции регенератора

При отсутствии достаточно хорошей теории ниже дается лишь несколько полезных советов по конструированию регенераторов. Их ни в коей мере нельзя принимать за основные правила.

Конструктор регенератора должен попытаться решить проблему нескольких противоречащих друг другу требований. Так, например, необходимо уменьшать отклонения температуры насадки от ее номинального значения; этим улучшается общий к. п. д. регенера-80

тора; отношение теплоемкости насадки к теплоемкости газа -l-ejl.

должно быть максимальным; это может быть достигнуто при применении большой плотной насадки.

И; С другой стороны, должны быть ограничены потери, связанные с трением. В гл. 3 и на рис. 7-1 было показано, что влияние падения давления в поперечном сечении насадки должно приводить к уменьшению диапазона отклонений давления от среднего значения в полости расширения, что ухудшает р, F-диаграмму полости расширения. Это уменьшает полезную работу и эффективность двигателя, а в криогенной газовой машине приводит к снижению отводимой теплоты и уменьшению коэффициента холодопроизводительности. При использовании небольшой весьма пористой насадки потери на трение минимальны.

i Третий и наиболее важный аспект касается мертвого объема. Его размер влияет на отношение максимального объема рабочей полости к минимальному, а это в свою очередь непосредственно оказывает влияние на отношение экстремальных значений давления. Для получения максимальной удельной мощности оба эти отношения должны быть как можно большими, для чего мертвый объем должен, быть, по-возможности, минимальным. Достигается это путем использования небольших плотных насадок.

Для улучшения процессов теплообмена и установления минимальной разности температур между насадкой и рабочим телом необходимо обеспечить максимальную поверхность теплообмена между насадкой и рабочим телом. Следовательно, насадка должна быть многослойной, при этом желательно, чтобы ее теплопроводность была максимальной в направлении, перпендикулярном потоку, и минимальной в направлении потока.

Наконец, важно иметь в виду, что регенератор действует как весьма эффективный фильтр рабочего тела, так что любые частицы масла задерживаются в узких проходах. В криогенной газовой машине любые примеси в рабочем теле, которые конденсируются в низкотемпературной зоне полости расширения, будут оседать в регенераторе. Эгот осадок накапливается и приводит к увеличению потерь на трение, что уменьшает диапазон изменения давления от его значения в полости расширения; в результате работа криогенной газовой машины постепенно ухудшается. В двигателе любое накопление частиц масла в регенераторе тормозит поток рабочего тела и увеличивает потери давления. Вследствие этого температура в полости расширения увеличивается и ее возрастание может быть прогрессирующим, поскольку для возмещения потерь мощности увеличивается, расход подводимого топлива. Увеличение температуры приводит к коксованию масла, вследствие чего закупоривается проход для потока рабочего тела; это возрастание температуры продолжается до тех пор, пока не произойдет катастрофический перегрев двигателя. С этой точки зрения для прохождения потока рабочего тела регенератор должен иметь минимальное сопротивление.

Таким образом, могут быть рекомендованы следующие характеристики насадки регенератора:

для максимальной теплоемкости - большая, весьма плотная насадка;

для минимальных потерь в потоке - небольшая высокопористая насадка;

для минимального мертвого объема - небольшая плотная насадка;

для максимального теплообмена - большая многослойная насадка;

для минимального загрязнения - насадка без перегородок.

Очевидно, что выполнить все эти противоречащие друг другу требования невозможно. При современном уровне понимания цикла не представляется возможным отдать предпочтение какому-либо аспекту.

7-10. двигатели

В большинстве конструкций двигателей значительное внимание уделяется регенератору и сравнительно небольшое - проблеме нагревателя и холодильника. По этой причине процессы теплопередачи при подводе и отводе теплоты осуществляются плохо и, в конечном итоге, достигнуть удовлетворительной работы двигателя не удается. Это стимулирует дальнейший интерес к регенератору: делаются многочисленные экспериментальныепопытки проверить различные конструкции регенератора. Часто вызывает удивление тот факт, что порой эти попытки не оказывают никакого эффекта на работу двигателя; особенно удивителен тот случай, когда эксперименты проводятся с целью уменьшения размеров регенератора, и размеры уменьшаются до такой степени, что двигатель, в сущности работа!ет без него. Из опыта известно, что в небольших двигателях с низким давлением рабочего тела снятие регенератора почти всегда приводит к улучшению их характеристик, потому что выигрыши, связанные с уменьшением мертвого объема и в меньшей степени с уменьшением потерь, обусловленных теплопроводностью корпуса регенератора, и потерь на трение, перекрывают потери, связанные с теплоемкостью и поверхностью теплообмена насадки регенератора.

Для очень небольших низкочастотных машин (например, для двигателей с диаметром цилиндра 5 см, давлением менее 5-6 кгс/см и с частотой вращения менее 1000 об/мин) конструкция с внешним регенератором (по крайней мере, для первого варианта) нецелесообразна; лучшим решением в этом случае будет, по-видимому, внутренний кольцевой регенератор, расположенный вокруг вытеснителя.

Один из вариантов вытеснительной системы с регенеративным кольцевым каналом, успешно использованный профессором Билом (Beale), а также автором, показан на рис. 7-8. Вытеснитель, выполненный из тонкостенной трубки из нержавеющей стали с низкой

i I-

теплопроводностью, закрыт с горячего торца перевернутой цилиндрической крышкой, изготовленной из сплошного бруска так, чтобы она могла плотно прилегать к трубе. После сборки место соединения может быть заварено, а шов зачищен и отшлифован. С внутренней стороны вытеснителя, как это видно из рисунка, может быть предусмотрен ряд теплозащитных экранов, либо вырезанных из жесткого материала, либо стандартных. Нижний конец вытеснителя также закрыт плотно прилегающей пластинкой. Поскольку эта часть вытеснителя работает в холодной зоне, пластинка может быть изготовлена из легкого сплава или из нержавеющей стали. Для обеспечения необходимого уплотнения пластинки с нижним концом вытеснителя их соединяют с помощью эпоксидного клея. Хорошие результаты получены для вытеснителя с длиной около трех его диаметров. Вытеснитель работает в цилиндре, также изготовленном из низкотеплопроводной нержавеющей стали и имеющем небольшое поперечное сечение, за исключением периферийных колец жесткости, снимаемых в процессе обработки. Верхняя часть цилиндра закрыта другой перевернутой цилиндрической крышкой, приваренной извне. Нижний конец цилиндра соединен с помощью фланца с охлаждаемой полостью сжатия цилиндра. Цилиндр может быть короче вытеснителя, так что нижняя, охлаждаемая часть вытеснителя работает внутри полости сжатия цилиндра. Это дает возможность установить на нижнем конце вытеснителя направляющее кольцо, изготовленное на основе материала PTFE, работающего в условиях охлаждения.

По кольцевому каналу, образующемуся между вытеснителем и цилиндром и связывающему полости расширения и сжатия, проходит рабочее тело. Этот канал выполняет роль регенератора, по-сколькуверхний его конец всегда находится в нагреваемой, а нижний -- в охлаждаемой частях цилиндра. Устройство достаточно

Рис. 7-8. Элементы кольцеобразного регенератора.

/ - теплозащитный экран; 2 - кольца жесткости; 3 - рубашка охлаждения; 4 - направляющее кольцо из материала RULON; 5 - соединение иа эпоксидной смоле; 6 - тонкие секции стенки для уменьшения потерь вследствие теплопроводности; 7 - регенеративный кольцевой зазор размером 0,38-0,76 мм; 8- сварные швы.

простое, но весьма эффективное в том случае, если вытеснитель и стенки цилиндра выполнены из очень тонкого материала, позволяющего свести к минимуму потери на теплопроводность. Зазор между цилиндром и вытеснителем с точки зрения теплообмена имеет очень важное значение и должен находиться в пределах 0,38- 0,76 мм. Для обеспечения выравнивания процессов теплообмена и течения рабочего тела очень важно также выдерживать постоянный зазор в кольцевом канале по всей длине. Проблема теплообмена в кольцевом канале с осевым температурным градиентом и с движущимся возвратно-поступательно одним из элементов этого канала, по-видимому, не изучалась и может быть рекомендована для исследовательской работы в университете.

Пределы применимости регенеративного кольцевого канала не определены, но, вероятно, система будет все менее и менее эффективной по мере того, как будут увеличиваться диаметр цилиндра, давление и частота вращения двигателя. Первоначально противоречия скажутся вероятно, на работе нагревателя; в этом случае положение может быть улучшено увеличением площади поверхности теплообмена за счет внутреннего оребрения, однако без значительного увеличения мертвого объема этого достигнуть трудно. В конечном счете возникает необходимость прибегнуть к весьма сложным нагревателям, вероятно трубчатого типа; следовательно, можно сделать вывод, что насадки регенераторов оправдывают затраченные средства. В этом случае прогрессивным направлением в развитии двигателей будет, вероятно, сходное с тем, по которому идет фирма Филипс .

7-11. криогенные газовые машины

Для криогенных газовых машин регенератор еще более важен, чем для двигателей. По счастливому стечению обстоятельств проблема материалов здесь не так сложна, как для двигателей.

Для своих криогенных газовых машин фирма Филипс использует кольцеобразный регенератор, устанавливаемый вокруг вытеснителя; он состоит из гильзы, изготовленной из прессованной бумаги с низкой теплопроводностью, в которую произвольно укладывается короткая медная проволока диаметром 0,0254 мм. Автором было найдено, что ячейки, сплетенные из медной проволоки и проволоки из фосфористой бронзы, являются эффективной насадкой для регенераторов. Насадка может быть изготовлена из различной толщины проволоки и с разной плотностью ячеек. Поскольку с увеличением плотности ячеек диаметр проволоки уменьшается, затраты на изготовление единицы поверхности насадки значительно возрастают; создается положение, когда не ясно, какой материал может быть использован для производства машин. Кольцевой регенератор весьма дорог, поскольку его центральная часть, выштампованная из пакета весьма мелких сеток, пропадает. Проволочные сетки могут легко спекаться , образуя прочный полужесткий блок. Один из

способов изготовления состоит в том, чтобы сначала придать пакету проволочных сеток такую форму, чтобы он мог выдерживать нагрузку под действием веса. Зате сетки промывают в ванне с азотной (или соляной) кислотой, после чего сжатый пакет сеток короткое время нагревают в печи при пониженном давлении. В процессе дальнейшей очистки было обнаружено, что в результате спекания пакет сеток становится твердым монолитом, легко поддающимся обработке. Важно расположить сетки так, чтобы проволочки в них были перпендикулярны оси потока, иначе осевая теплопроводность может стать слишком большой. Спекание с небольшой нагрузкой не приводит к существенному увеличению осевой теплопроводности сеток, поскольку из-за значительного уменьшения пористости улучшается набивка насадки.

Невозможно дать точные рекомендации по конструированию ре генератора, хотя заслуживают внимания следующие моменты. Ис пользуемая проволока должна быть тонкой (0,0254-0,0508 мм) плотно уложенной и спрессованной так, чтобы промежутки были ми нимальны. Трудно добиться хорошего значения мертвого объема но по крайней мере, половину его должен занимать свободный объем регенератора. Как правило, в конструкции регенератора должны соблюдаться такие соотношения, чтобы общая площадь поперечного сечения канала равнялась площади поперечного сечения обычного цилиндра с диаметром, равным его длине.

7-12. некоторые данные по теплообмену и гидравлическому сопротивлению проволочных сеток с плотными ячейками

Ряд данных по теплообмену и гидравлическому сопротивлению для пористой среды был приведен Коппаджем и Лондоном в 1956 г. и дополнен в последующие годы. Однако опубликовано весьма мало данных о потоке в плотных проволочных сетках с размерами, представляющими интерес для регенераторов криогенных машин, работающих по циклу Стирлинга. Представленные здесь данные были получены при измерениях, проведенных в университете Калгари Васишта (1969 г.) и Ваном (1971 г.); однако других результатов, с которыми можно было бы сравнить эти данные, нет. С целью тарировки измерительной аппаратуры Васишта получил некоторые данные по ячейкам из нержавеющей стали, размеры которых были сопоставимы с ячейками, исследовавшимися Коппаджем, и его результаты хорошо совпадали с данными Коппаджа.

Измеренные данные для двух размеров сеток приведены соответственно на рис. 7-9 и рис. 7-10. (етки были изготовлены из фосфористой бронзы, имеющей следующий состав: олово 3,5-3,8%; фосфор 0,3-0,35%; железо 0,1%; свинец 0,05%; цинк 0,3%; остальное - медь. Характеристики материала: плотность 8860 кг/м; коэффициент теплопроводности 0,0815 кВт/(м- °С); удельная теплоемкость 0,435 кДж/(кг- °С).

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.