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

в один общий объем. Для двигателя с номинальной мощностью 14,7- 22 кВт (20-30 л. с), что составляет десятую часть мощности двигателя V8, рабочим телом может быть воздух с давлетием в несколько атмосфер. Ожидается, что эффективный к. п. д. будет составлять примерно 20%.

10-3. двухкомпонентные двухфазные рабочие тела

Как одна из возможностей повышения давления для увеличения удельной мощности двигателя в университете Калгари исследовалось двухкомпонентное двухфазное рабочее тело.

Из анализа, проведенного ранее по теории Шмидта, ясно, что одним из путей повышения удельной мощности данного двигателя является увеличение либо среднего, либо максимального давления рабочего тела. Экспериментально доказано, что повышение выходной мощности двигателя с ростом давления фактически линейно; однако существует хотя и слабая, но прогрессирующая тенденция уменьшения коэффициента пропорциональности из-за ограничений по теплообмену и эффектов внутреннего трения. Физическое объяснение повышения мощности при увеличении давления может быть получено при рассмотрении рис. 10-8. Схематично изображенная диаграмма характеризует такую машину, в которой отношение объемов макс/мии. равное 2, связано с отношением давлений р акс/Рмин. равным 2,5. В первом приближении увеличение давления не должно влиять на отношение давлений, но оно влияет на диапазон их изменения. В этом случае, как видно из диаграммы, увеличение среднего давления от 1,75 до 5,25, т. е. в 3 раза, ведет к увеличению диапазона изменения давления от начального его значения, равного 2,5-1 = 1,5, до значения (7,5-3) = 4,5, т. е. также в 3 раза. Тогда как отношение давлений неизменно; диапазон изменения давления растет и площадь в р, -координатах увеличивается; вследствие этого производится большая работа и удельная мощность возрастает.

Повышение удельной мощности при увеличении диапазона изменения давлений может быть достигнуто при условии возможности увеличения отношения объемов акс/мии- Однако трудно создать машину с отношением объемов, большим чем 2,5 : 1. При использовании газообразного рабочего тела единственным способом

Объем (произвольные единицы)

Рис. 10-8. Влияние уровня среднего давления на диапазон изменения давления и на выходную мощность двигателя (VMaKc/VMHH = =2 : 1; Рмакс/Рмии=2,5 : 1).

расширить диапазон изменения давления является повышение среднего давления. По этому направлению следует фирма Филипс , и как результат - появление машин с давлением водорода или гелия до нескольких сотен атмосфер. Другой возможностью для увеличения диапазона изменения давлений (но при низком среднем давлении) является использование рабочего тела, изменяющего фазовое состояние при переходе из полости сжатия в полость расширения, т. е. перехода рабочего тела из жидкого состояния в парообразное. Для любого конкретного рабочего тела при температуре меньше критической удельный объем насыщенной жидкости значительно меньше удельного объема насыщенного пара. Использование рабочего тела с фазовыми переходами может, таким образом, дать тот же эффект, что и увеличение отношения объемов Vk привести к расширению диапазона изменения давлений. Простейшая иллюстрация влияния этого эффекта приведена на рис. 10-9. В этом случае среднее рабочее давление Рср выше, чем первоначальное давление наполнения риап. определяемое у холодного (неработающего) двигателя, когда компонент, способный к фазовому превращению, находится в жидкой фазе. Отношение давлений РмаксРмин и диапазон изменения давления выше, чем в случае использования однокомпонентного однофазного рабочего тела. Выходная мощность увеличивается и улучшается теплопередача вследствие процессов испарения и конденсации.

Предварительные расчеты, весьма идеализированные, показали существенное увеличение удельной мощности (приблизительно в 2-3 раза) от применения двухфазного двухкомпо-нентного рабочего тела. В настоящее время в качестве такого рабочего тела изучается вода и воздух, но нет никаких причин, чтобы не использовать другие компоненты при условии, что они будут предпочтительней с точки зрения термодинамики и экономически доступны.

Гибридная машина (с использованием в основном обычных узлов двигателя внутреннего сгорания и работающая при умеренных средних давлениях двухфазного двухкомпонентного рабочего тела) может привести к созданию недорогого высокоэффективного двигателя Стирлинга.

овьем (произвольные единицы)

Рис. 10-9. Влияние двухфазного двухкомпонентного рабочего тела на диапазон изменения давления и на выходную мощность двигателя.

10-4. машина вюлемьера

Машина Вюлемьера (Vuilleumier), относяш,аяся к одному из видов криогенных газовых машин с подводом теплоты, получила развитие в США недавно; ее принцип действия был описан Финкельштейном (1970 г.) при обзоре работ Мэйджи и др. (Magee е. а., 1969) и Питчера и др. (Pitcher е. а., 1970 г.).

Схема машины Вюлемьера изображена на рис. 10-10 и по своему замыслу подобна сдвоенной машине, описанной в гл. 9. Она имеет один картер и состоит из двух цилиндров с вытеснителями, один из которых больше другого. Вытеснители имеют общий коленчатый вал и вследствие этого их движение одновременное, но со сдвигом по фазе. На рисунке показаны регенеративные вытеснители, но могут быть использованы в одном или обоих цилиндрах и обычные. Для их привода к коленчатому валу подводится внешняя работа. Необходимо отметить, что подводимая к машине мощность очень мала, поскольку требуется работа только на преодоление внутреннего трения в рабочем теле и механического трения движущихся частей. Внешней работы для сжатия или расширения рабочего тела не требуется, она нужна лишь для вытеснения рабочего тела из одной полости в другую. В машине помимо двух регенераторов имеются еще три других теплообменника: нагреватель на головке большого цилиндра, морозильная камера на головке малого цилиндра и холодильник в нижней части цилиндров, расположенный вне картера; картер в этой машине является общей частью контура рабочего тела.

Машина работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении вытеснителя большого цилиндра масса рабочего тела попеременно перемещается между горячим верхним концом цилиндра и холодным его концом, расположенном в картере. Это вызывает изменение давления рабочего тела; давление максимальное, когда рабочее тело находится в горячем конце цилиндра, и минимальное, когда оно находится в холодном конце. Циклическое изменение давления используется в меньшем цилиндре для достижения необходимого эффекта охлаждения в его верхней части. Движение вытеснителя меньшего цилиндра осуществляется так, что он находится в картере в конце рабочего хода во время процесса

Рнс. 10-10. Схема машины Вюлемьера.

/ - подвод теплоты в полость расширения прн высокой температуре; 2 - отвод теплоты из окружающей среды прн низкой температуре в полость расширения; 3 - отвод теплоты в систему охлаждения прн атмосферной температуре: 4 - подвод внешней механической работы; 5 - регенеративные вытеснители.

расширения рабочего тела (т. е. в момент охлаждения жидкости на верхнем конце цилиндра), когда давление в результате перемещения вытеснителя в большом цилиндре меняется от максимального до минимального.

Машина Вюлемьера трудно поддается классификации. Действительно, это комбинация двух машин, работающих по циклу Эриксона с одним цилиндром и регенеративным вытеснителем и имеющих постоянный рабочий объем и внешний привод; но в данном случае машина не имеет клапанов, и, по принятому ранее произвольному определению, она относится к категории машин Стирлинга. Машина Вюлемьера аналогична сдвоенной машине Стирлинга, но без рабочих поршней; данное обстоятельство представляет исключительное преимущество, поскольку количество движущихся узлов уменьшается , вдвое. Основной недостаток машины - необходимость внешнего, хотя и маломощного привода. Кроме того, отсутствие рабочих поршней может ограничить степень изменения давления, которая могла бы быть достигнута, а это, следовательно, ограничивает и холодопроизводительность. По-видимому, машина Вюлемьера как компактная высокоскоростная криогенная машина менее предпочтительна, чем сдвоенная машина Стирлинга; она не является автономной, хотя, если учесть ее простоту, может найти применение во многих областях; отсутствие рабочих поршней и уплотнений - ее основные преимущества.

10-5. некоторые вопросы, относящиеся к исследованиям в области регенераторов и теплообменников

Из гл. 7 следует, что существующие методы проектирования регенеративных (и других) теплообменников неудовлетворительны. Исследования в этой области могут быть предприняты на инженерных факультетах университетов, но при этом должен быть достигнут достаточно высокий уровень понимания проблемы, с тем чтобы результаты исследований могли быть применимы к решению практических вопросов; что касается технической литературы по регенеративным теплообменникам, то она находится в различных источниках и не относится непосредственно к машинам Стирлинга.

На начальной стадии работы экспериментальные исследования регенераторов более предпочтительны, чем чисто теоретические, и должны включать научные исследования очень малых времен дутья, периодических изменений в широком диапазоне давлений, массовых расходов и плотности рабочего тела. Они должны проводиться с особым вниманием к влиянию пористости и внутренним потерям на трение. Эксперименты с регенеративными насадками, проведенные при давлениях и температурах, близких к атмосферным, и при медленно изменяющихся условиях, почти или совсем неприменимы к регенераторам машин Стирлинга. Для таких регенераторов, по-видимому, нет лучшей модели для испытаний, чем сама машина Стирлинга. Так, в ходе экспериментов рекомендова-

лось отдавать предпочтение изучению изолированных регенераторов. Попытки неопытных экспериментаторов создать исследовательский образец почти всегда будут приводить к созданию машины настолько неудовлетворительной по тепловым характеристикам, что наилучшие ее результаты получаются при снятии регенератора. В этом случае можно использовать достаточно совершенную и единственно имеющуюся в продаже криогенную газовую машину типа А фирмы Филипс . Сейчас выпускается достаточно много таких машин, и для экспериментов могут быть использованы уже работавшие (или негодные для продажи по какой-либо причине) машины.

Типичными проблемами в этой области, требующими изучения, в настоящее время являются определение предпочтительного соотношения длины и диаметра насадки, технология набивки насадки, ее материал, где существенное значение имеет теплоемкость; изучение влияния потерь внутреннего трения и поверхностей теплообмена, влияния изменения плотности рабочего тела и частоты изменения направления потока на характеристики насадки. Возможность подобных исследований существует для рекуперативных нагревателей и холодильников. Материалы, предпочтительные размеры ребер, пазов, отверстий, отношения длин к диаметрам, необходимость учета пульсации потока при значительном изменении диапазона давлений, плотность и массовый расход газа при относительно высокой чистоте вращения машины - все это вопросы, требующие создания расчетных методик.

Оптимальные расчетные графики. Другой возможной областью исследований в университете является построение оптимальных расчетных графиков. Результирующие графики, основанные на теории Шмидта, были приведены в гл. 5. Идеализация, свойственная этой теории, искажает графики непонятным в настоящее время образом. Поэтому для создания действительных графиков необходимы тщательные экспериментальные исследования (если это, конечно, возможно), что обеспечит прочную основу для будущих разработок.

Уплотнения и подшипники. Уплотнения и подшипники для двигателей Стирлинга важны в большей степени, чем для других машин.

Выходная мощность двигателя Стирлинга в зависимости от давления рабочего тела в относительных единицах приведена на рис. 10-11. Теоретическая мощность двигателя OA характеризуется прямой линией, проведенной из начала координат. Потери Ар, обусловленные механическим трением, вызывают смещение теоретической характеристики выходной мощности до линии ВС. Потери AF, обусловленные гидравлическим сопротивлением и являющиеся функцией частоты вращения или плотности рабочего тела, видоизменяют характеристику выходной мощности до кривой BD. Потери Is-R от загрязнения регенератора приводят к дальнейшему уменьшению выходной мощности; кривая EF - действительная характеристика выходной мощности двигателя. Верхняя кривая, соответствующая линейной зависимости выходной мощности двига-

теля от давления рабочего тела, рассчитана по теории Шмидта. Эта мощность должна быть уменьшена на величину Ар, обусловленную потерями на механическое трение в подшипниках и уплотнениях. Из предположения, что значение Ар - постоянно, получена кривая С. На практике потери мощности увеличиваются с повышением давления рабочего тела, а влияние внутреннего Трения и ограничение теплообмена становятся все более значительными; исходя из этих соображений и получена нижняя кривая.

Из кривых на рис. 10-11, ясно видно, что для двигателей с относительно низким давлением рабочего тела весьма важно обеспечить минимальное трение в подшипниках и уплотнениях, чтобы не допустить возрастание этих потерь до значения соразмерного выход-

дцииальный размер+дгвЫ

О BE Давление или частота

враш,ения

Рис. 10-11. Выходная мощность двигателя Стирлинга в зависимости от давления рабочего тела.

Рис. 10-12. Эскиз уплотнения из материала RULON (по данным Била, университет штата Огайо).

НОЙ МОЩНОСТИ. Поэтому рекомендуется применять подшипники со смазкой, однако при этом возникает проблема уплотнений. Для сохранения постоянного давления в машине, а следовательно, и выходной мощности масса рабочего тела должна быть также постоянной. При использовании смазочного масла очень важно во избежание загрязнения поверхностей регенератора и теплообменников не допустить попадания масла в рабочий объем машины. Загрязнение теплообменных поверхностей увеличивает гидравлическое сопротивление в регенераторе и приводит ко все более возрастающим потерям выходной мощности двигателя.

Вопрос загрязнения маслом рабочего объема является одним из основных. Для решения проблемы уплотнения было бы лучше использовать не стандартные, смазываемые маслом коренные подшипники, а другие. Для этого имеются две возможности: использовать либо герметические, предварительно смазанные шариковые (или ррликовые) подшипники, либо несмазываемые фторографитовые подшипники. Герметические, предварительно смазанные роликовые подшипники из-за уплотнений и консистентной смазки имеют отно-

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.