1598005352-c8ee7d2a5515e9724b112e615ad75d2e (811199), страница 11
Текст из файла (страница 11)
В случае двигателя необходимо, во-первых, установить допустимую температуру Тв для полости расширения. Она определяется природой теплового источника и теми конструкционными материалами, которые могут быть применены для теплообменников и цилиндра полости расширения, При выбранных значениях температуры Тв на трех графиках проводятся вертикальные линии. Из графиков по точкам пересечения вертикальных линий с сетками кривых для выбранных значений отношений мертвого объема можно определить соответствующие оптимальные значения фазового угла а и отношения вытесняемых объемов й.
Аналогичнымобразом может быть определено и значение параметра мощности Р/р„„,Уг. Поскольку Тв известно, а Тс принимается (значение этой температуры в двигателе с водяным охлаждением приблизительно равно 800 К), то может быть рассчитан и параметр Р/р„,„,$'г. Таким образом, зная т, Х, а и Й и используя краткий перечень приведенных выше уравнений, можно перейти к непосредственному конструированию двигателя. Нельзя не отметить, что расчетные данные, полученные для цикла по теории Шмидта, весьма оптимистичны. Как показывает опыт, нельзя ожидать от реального двигателя значений мощности и эффективности, составляющих более 30 — 40%, предсказываемых по теории Шмидта.
$-$. РАБОЧЕЕ ТЕЛО В теории Шмидта физические свойства рабочего тела не рассматриваются, за исключением свойств идеального газа, подчиняющегося характеристическому газовому уравнению состояния рУ = = КТ. Допущения, на которых основывается эта теория, подразумевают использование идеализированного рабочего тела со свойствами, не встречающимися в природе. Предположение об отсут- 52 ствии гидравлического сопротивления осуществимо только в том случае, если рабочее тело имеет нулевую вязкость.
Аналогично идеальная регенерация и изотермичность процессов сжатия и расширения могут быть достигнуты только в том случае, если рабочее тело обладает нереальными значениями удельной теплоемкости и теплопроводности. По-видимому, на практике представляют интерес только три рабочих тела: воздух, гелий и водород. Воздух привлекает своей доступностью. Гелий и водород представляют интерес с точки зрения своих термодинамических свойств, а именно тех, которые позволяют иметь высокие коэффициенты теплоотдачи и обеспечивать течение газа с относительно низкими гидравлическими потерями. С точки зрения характеристик двигателя водород лучше, чем гелий, и к тому же намного дешевле, но в присутствии воздуха или кислорода он склонен к воспламенению.
В двигателях с высокой удельной мощностью и высоким эффективным к. п. д., работающих при высоких давлениях и большой частоте вращения (более 2000 об/мин), необходимо использовать водород или гелий, с тем чтобы обеспечить высокие коэффициенты тепло- и массообмена при разумном уровне гидравлических потерь. Однако очень трудной задачей остается проблема уплотнений. Кроме того, системы регулирования мощностью двигателя сложные, поскольку должны включать реверсивное устройство, клапаны и, возможно, компрессор для изменения давления рабочего тела, находящегося в баллоне высокого давления.
Стоимость машин такого типа высокая, и, вероятно, будут использоваться двигатели относительно большой мощности, в которых преимущества, связанные с низким уровнем шума и малым загрязнением атмосферы выхлопными газами, оправдывают более высокую стоимость, чем двигателей внутреннего сгорания. В криогенных газовых машинах, работающих в режиме ожижения с высокой холодопроизводительностью или в рефрижераторном режиме, должен бытьтакжеиспользован в качестве рабочего тела гелий или водород. Двигатели, в которых рабочим телом является воздух, не могут иметь таких высоких коэффициентов тепломассообмена, как в слу.
чае применения водорода или гелия. Обычно такие двигатели громоздкие„с низкой удельной мощностью и низким к. п. д. Однако рабочее тело в них может быть легко пополнено из атмосферного воздуха, и поэтому проблем уплотнений и конструкционных материалов для них практически не существует; вследствие этого такие двигатели могут быть простыми, дешевыми и надежными. Двигатели, работающие на воздухе, имеют низкие характеристики и не могут составить конкуренцию двигателям внутреннего сгорания ни в случае применения их в транспортных системах, ни в других, обычных для них областях.
Однако существует настоятельная и все увеличивающаяся потребность в двигателях малой мощности (менее 1 л. с.) с высокой надежностью и умеренными средними ха. рактеристиками, способных длительное время работать автономно (свыше одного года) и использовать природные или радиоизотопные топлива. Потребность в подобных двигателях ощущается в системах навигации, метеорологии и дальней связи, где они могут быть использованы в качестве привода для электрогенераторов. Для таких систем подходятдвигатели Стирлинга, работающие на воздухе.
Сравнительные характеристики двигателей с различными рабочими телами — воздухом, водородом и гелием приведены на рнс. 5-9. Данный график, полученный путем моделирования по1усовершенствованной методике расчетов для одноцилиндрового двигателя Стирлинга мощностью 225 л. с., заимствован из работ Мейера (1970 г.). 00 Е ы ЧО 2 чз 30 'П 20 Ъ Е тп 6- 8- ' 0 20 90 ЮП 00 100 220 Удельная мощность, л.с/л Рис. 5-9. Сравнительные характеристики двигателей Стирлинга с различными рабочими телами; воздухом, водородом и гелием (но Мейеру, 1970 г.). На графике приведена зависимость эффективного к.
п. д. двигателя от удельной мощности двигателя (единица мощности в лошадиных силах на литр вытесняемого объема цилиндра) для различных частот вращения и трех различных рабочих тел (воздух, водород и гелий). При высоких значениях удельной мощности и высоких частот вращения водород значительно превосходит гелий; а кривая для воздуха далеко отстает от кривых и для водорода, и для гелия. Однако важно отметить, что при низких частотах и низкой удельноймощности существенного различия между воздухом, гелием и водородом нет. Выбор рабочего тела, ясно определяющий область применения двигателя, является существенным моментом и должен происходить на стадии конструирования.
Для двигателей с высокими характеристиками и большими частотами вращения должны быть использованы водород или гелий, а в случае возможности применения двигателей со средними значениями частот вращения и умеренными характеристиками — воздух, как имеющий существенные преимущества с точки зрения простоты конструкции и стоимости двигателя. В будущем возможно применение и других рабочих тел. В настоящее время представляют интерес химически реагирующие и двухфазные, двухкомпонентные рабочие тела; о последних будет кратко сообщено несколько позже в гл.
10. ГЛАВА ШЕСТАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ $-С ВВЕДЕНИЕ В машине Стирлинга имеются две полости с периодически изменяющимися объемами, находящиеся при различных температурных уровнях и соединяющиеся посредством регенератора и вспомогательных теплообменников. Эти простые узлы можно скомпоновать в различные системы, некоторые из которых называются (согласно Финкельшгейну, 1959 г,) либо по имени изобретателя, либо по имени человека, впервые использовавшего их в работе. Единственный критерий, устанавливающий их характерную особенность, это способ управления потоком рабочего тела.
В данном случае имеются две возможности: поток управляется либо клапанами, либо изменением объемов. В некотором отношении два этих типа машин являются аналогичными, но по конструкции отдельных узлов, работе и областям применения они совершенно различны. В настоящей книге машинами Стирлинга будут называться лишь те регенеративные машины, в которых управление потоком рабочего тела происходит изменением объемов.
Машины, в которых поток управляется клапанами, названы именем Эриксона. Эти два названия выбраны в некоторой степени произвольно в попытке навести хоть какой-то порядок в сложиншейся ситуации, поскольку в сутцествующей литературе нет установившихся отличительных признаков для подобных машин. Сами по себе названия амашнны Стирлингаз или «машины Эриксона» не являются вполне удовлетворительными, поскольку под этим подразумевается их работа по идеальным циклам прн постоянном давлении или постоянном объеме с изотермическими процессами сжатия и расширения и идеальной регенерацией. Как известно, все двигатели, разработанные Робертом Стирлингом, относились к двигателям с замкнутым циклом, управление потоком в которых осуществлялось изменением объемов, тогда как Джон Эриксон занимался изготовлением машин обоих типов.
б-А КОНСТРУКТИВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ МАШИН СТИРЛИНГА Все существующие компоновки машин Стирлинга могут быть классифицированы на две большие группы: двухпоршневые машины и машины вытеснительного типа. Машины из второй группы могут быть подразделены на машины, в которых рабочий и вытеснительный поршни находятся либо в одном, либо в разных цилиндрах. Примеры всех трех систем приведены на рис. 6-). Основное различие между рабочим поршнем и вытеснителем состоит в том, что в рабочем поршне (а не в вытеснителе) для предотвращения утечек газа от одного его торца к другому имеется газонепроиицаемое и (теоретически) уплотнение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
