Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В. (1013734), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Горячее рабочее тело поступает в цилиндр над поршнем 1. Цикл закончен, а описанные процессы повторяются. Благодаря применению регенератора увеличивается разница между максимальной и минимальной температурами цикла, что ведет к повышению эффективности двигателя.. Если отвлечься от различного рода потерь, которые имеются в данном двигателе, то описанные процессы можно отобразить в ро- и Тз-коордннатах (рис. 11ЛЗ).
При этом считается, что в изохорных процессах Ь вЂ” с и д — а происходит полная регенерация (восполнение) теплоты, т. е. теплота, отданная в регенераторе рабочему телу в процессе Ь вЂ” с, вновь полностью воспринимается регенератором от рабочего тела в процессе д — а. Внешнего же притока теплоты к регенератору и потерь ее в нем нет. Следовательно: двдгдд двдгд ев ггт = 7 д ~"~здв д (11.93) У, д =Т,Лзн,=Т,Л)п— ~д (11.
94) Поскольку ол = пд и ид = ию то Ьз,л = г"гзн,. а) Рис. 11.73 389 и, значит, в ходе замкнутого цикла к ТРТ подводится теплота извне только на изотермическом участке а — Ь, а отводится на участке с — д. Таким образом, можно записать Глава 11. Термодинамические циклы Согласно определению термического КПД цикла получаем (11,95) С учетом того что Т, — минимальная, Т вЂ”. максимальная температуры в цикле, полученное выражение аналогично зависимости для КПД цикла Карно при тех же значениях предельных температур. Необходимо отметить, что идеальный цикл двигателя Стирлинга неосуществим, однако с той или иной степенью приближения его можно реализовать в теплотехнике, причем не только для двигателей, но и для холодильных агрегатов.
В идеальном случае предполагалось, что все процессы термодинамически обратимы, соблюдается изотермичность процессов расширения и сжатия, что предполагает бесконечно высокий уровень теплообмена между ТРТ и конструктивными элементами двигателя. Кроме того, принималось, что происходит прерывистое движение поршней, а гидравлическое и механическое сопротивления отсутствуют. Предположение об идеальной регенерации теплоты означает, что процесс теплообмена между рабочим телом и регенератором, а также теплоемкость регенератора бесконечно велики, В любом реальном двигателе все перечисленные выше факторы снижают КПД реального двигателя приблизительно на 20'Уо. Двигатели Стирлинга имеют ряд важных особенностей: Ф нулевую токсичность, так как продуктов сгорания в двигателе нет; ° возможность работы в космосе и использования любого источника теплоты: химических реакций, реакций ядерного деления, солнечной энергии и т.
д.; ° наличие регенератора — подзаряжаемой теплоаккумулирующей системы, позволяющей в идеальном случае получить КПД, равный эффективности цикла Карно; ° эффективность не зависит от рода рабочего тела, что позволяет использовать любое ТРТ; ° низкий уровень шума, малый вес, динамическая сбалансированность и большой ресурс работы. 390 11.8.
Двигатели с внешними источниками энергии Среди недостатков следует отметить сложность регулировки режимов работы, поскольку регенератор и теплоподводящие системы имеют значительную инерцию. Названные особенности определяют основные области возможного применения двигателей Стирлинга: это бортовые энергетические установки космических и подводных кораблей, системы искусственного кровообращения, вентиляторы, кондиционеры и т. д. 11.8.2. Двигатели, использующие энергию Солнца. Рассмотренный в предыдущем разделе двигатель Стирлинга в качестве источника теплоты может использовать энергию Солнца. Необходимо отметить, что энергию Солнца можно использовать и для создания реактивной тяги.
В качестве примера можно рассмотреть схему, когда рабочее тело, находящееся на борту летательного аппарата, нагревается за счет солнечной энергии и, превращаясь в пар, истекающий из сопла, может создавать тягу. Кроме того, солнечное излучение, создающее определенное давление на поверхность облучения, может за счет этого явления также создавать некоторую тягу. Подобная схема, получившая название «солнечного паруса» или фотореактивной двигательной установки, является наиболее простой двигательной установкой из всех типов двигателей летательных аппаратов.
Название «солнечный парус», схема которого представлена на рис. 11Л4, получено по сходству с принципом действия паруса. Поток фотонов 1, движущийся от Солнца со скоростью 300 000 км/с, должен улавливаться огромным «полотнищем» 2, изготовленным из тончайшей пластмассовой пленки, покрытой с одной стороны, например, алюминием для образования отражающего зеркала. Отражаясь от поверхности паруса, солнечное излучение и создает тягу в направлении 3, перпендикулярном к его поверхности.
Кабина летательного аппаратаб скреплена с парусом 2 с помощью тросов 4. Преимущество такого устройства в том, что нет необходимости в источниках как энергии, так и массы, а сила тяги действует в течение всего полета летательного 8 аппарата при его постоянной массе. Рис. 11.74 391 Глава 11. Термодинамические циклы Давление солнечного излучения чрезвычайно мало: на поверхности Земли оно составляет около 0,9 ° 10 ' Па, а его суммарная сила на земной шар — 6 ° 10з Н.
При использовании достаточно большого паруса технически можно осуществить устойчивое ускорение летательного аппарата в пространстве, где нет азродинамического сопротивления. Вектор тяги в етом случае изменяется поворотом на нужный угол «солнечного паруса». Но на зпачитсльпых расстояниях от Солнца для получения достаточных тяг нужна очень большая площадь паруса. Например, на расстоянии 150 млн км тяга 1 Н получается на площади паруса 3 104 мв.
Главная трудность такой системы заключается в создании очень легкого паруса. По оценкам специалистов, тяговая система в виде «солнечного паруса» для полета к комете Галлея нуждается в пленке толщиной 2,5 мкм удельной массы 3 г/ма. Кроме того, для действенности фотореактивной установки необходимо вначале освободить корабль от тяготения планеты отправления с помощью какой-либо более или менее обычной двигательной установки и сориентировать парус по отношению к направлению солнечных лучей. Одной из наиболее перспективных конструкций «солнечного паруса» считается конструкция, называющаяся «солнечным гироскопом» (рис. 11.75). Размеры такого «солнечного гироскопа» для полета космического аппарата к комете Галлея составляют: длина каждой из 12 лопастей — 7„4 км, ширина — 8 м и масса — 200 кг.
Такой «солнечный парус» на удалении 150 млн км от Солнца по расчетам создаст тягу 5 Н. Считается также, что аналогичные системы могут быть пригодными при полетах к кометам, для транспортировки космических объектов с низких орбит на геостационарные. 1 1.9. Оценка эффективности различных тепловых двигателей При анализе и сопоставлении между собой различных термодинамических циклов наибольший интерес представляют их экономичность и значения термического КПД.
Чем выше 392 ! Кэ. Оценка эФфективности различных тепловых двигателей значение т)и тем более благоприятны исходные условия для обеспечения высокой эффективности реального двигателя. Эталонным циклом для всех тепловых машин является цикл Карно, имеющий тот же температурный перепад, что и сравниваемый с ним цикл. Так как термический КПД цикла Карно, определяемый выражением (11.12), является наибольшим при выбранных значениях Т„а, и Т „,, любой другой цикл, протекающий в этом же интервале температур, будет тем эффективнее, чем ближе его термический КПД к КПД цикла Карно. Кроме того, во многих случаях возникает необходимость сравнивать различные циклы между собой, а не с циклом Карно.
Для того чтобы провести это сравнение, необходимо выбрать условия, при которых проводится это сравнение. Такими условиями могут быть равенство подведенных количеств теплоты и основных характеристик (степеней сжатия, степеней повышения давления н т. п.). В данном случае проще всего воспользоваться методом, предложенным в 1939 г. В. С. Мартыновским.
Этот метод основывается на нахождении для исследуемых циклов эквивалентных циклов Карно и последующем сравнении между собой этих эквивалентных циклов. Как известно, термический КПД любого цикла теплового двигателя определяется выражением (11.6) Ч2 т), = 1 — —, Ч1 где дз = гтТ2 Йз„дт = 1Т, Йз, Тэ и Тт — текущая температура процессов, в которых отводится и подводится теплота. Каждый цикл тепловой машины протекает в определенном интервале изменения удельной энтропии Ьз, поэтому всегда можно построить некоторые изотермические процессы подвода и отвода теплоты, протекающие в интервале Лз так, что количество подведенной и отведенной в них теплоты равно величинам д и т) анализируемого цикла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
