1598005352-c8ee7d2a5515e9724b112e615ad75d2e (811199), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Показанные на рис. 6-11 три отдельные группы отличаются по способу привода вытеснителя. Тип машин с внешним приводом вытесннтеля и газовыми клапанами запатентован Бушем (Впз)») как генератор давления, а машины с механическим приводом кла- панов успешно продаются как криогенные машины Джиффорда— Мак-Магона. Машины этих типов были описаны Мартини (МагБп!, 1968 г.) н Баком (Впсй, 1968 г.) в их работах по исследованию в области имплантации искусственного сердца. Оба варианта относятся к машинам типа «двигателей Стирлинга».
В качестве примера на рис. 6-12 приведено только по одной схеме однопоршневой и двухпоршневой машин Эриксона. Возможны Рис. 6-12. Возможные варианты компоновочных схем машин Эриксона с рабочим поршнем. также и другие варианты. Двухпоршневые машины Эриксона могут иметь как регенеративные, так и рекуператнвные теплообменники и считаются весьма надежными. ГЛАВА СЕДЬМАЯ РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ В МАШИНАХ СТИРЛИНГА УМ. ВВЕДЕНИЕ Конструирование регеператора, как и других теплообменников для машин Стирлинга, является весьма трудной задачей. Насколько известно автору, до сих пор еще нет хорошо отработанных методик, непосредственно относящихся к теплообменникам такого рода.
Поэтому для создания работоспособной конструкции используются общеизвестные основные принципы расчета и конструирования теплообменников, а также некие интуитивные правила с надеждой, что соответствующие коррекции в методику расчетов будут внесены при дальнейшем развитии этих машин.
Вероятно, это может показаться несколько странным, учитывая наличие большого количества литературы по рассматриваемым теплообменникам, в том числе и по регенераторам. Однако то обстоятельство, что такое положение существует, возможно, подчеркивает острую необходимость в продолжении как теоретических, так и экспериментальных работ, способствующих развитию регенераторов. Эта глава может быть полезна с точки зрения рассмотрения тех проблем, которые встречаются при разработке регенераторов для машин Стирлинга, а также для знакомства с основными литературными источниками по данному вопросу. В конце главы рас-' сматриваются некоторые идеи, которые могут быть полезны при решении трудных вопросов более совершенным способом.
входе в насадку не постоянна, а периодически изменяется, поскольку процессы сжатия и расширения не изотермические. Температура на выходе из насадки регенератора также меняется и не только из-за ее периодического изменения на входе, но и из-за ограниченных значений коэффициента теплоотдачи н поверхности тепло- обмена насадки, приводящих к конечным скоростям теплоотдачи. Параметры потока рабочего тела на входе в насадку (или на выходе из нее) не постоянны, а непрерывно меняются: давление, плотность и скорость изменяются в широких пределах, а изменение температуры происходит в более ограниченном диапазоне.
27г ВВ 20 7-2. ИДЕАЛЬНЫЙ РЕГЕНЕРАТОР При предыдущем рассмотрении циклов Стирлинга и Шмидта предполагалась идеальная регенерация теплоты. Это достигается в том случае, когда одна из двух температур рабочего тела, либо на входе в насадку регенератора (температура ТВ в конце процесса расширения), либо на выходе из нее (температура Тс в конце процесса сжатия), остается постоянной. Это возможно тогда, когда процессы протекают бесконечно медленно либо коэффициент тепло- отдачи или поверхность теплообмена — бесконечно большие величины, а также в тех случаях, когда теплоемкости 'рабочего тела и насадки соответственно равны нулю и бесконечно большой величине.
И в 'цикле Стнрлинга, и в цикле Шмидта мгновенные значения давления в насадке одни и те же, поскольку идеальный регенератор не имеет гидравлического сопротивления. Кроме того, для цикла Стирлинга свободный объем насадки принимается равным нулю, а в цикле Шмидта свободный объем 'считается независимо выбранным 'параметром и составляет часть,'общего свободного объема системы. ~ Характер температурного поля в насадке регенератора для обоих циклов 'несуществен и обычно описывается линейной функцией по длине насадки. Для цикла Шмидта зто обстоятельство является важным, поскольку эффективная температура мертвого объема То всегда рассчитывается как среднеарифметическое постоянных температур Ти и Тс. 7-3. РЕАЛЬНЫЙ РЕГЕНЕРАТОР Условия работы регенератора в реальном двигателе существенно отличаются от тех предполагаемых условий, которые рассматривались выше для идеалыюго случая.
Температура рабочего тела на 68 И„1370 с:) Б,ВО 200' 290' 280' 320' 0' 90' ВО' 120' 1БО' е 1800 аб(мин чо а) сС ы гцб7 1йуб 9,89 гОО губе гВО 220 О 90' ВО' 720 1бпо Угол пабарата каленчатага Вала ВОО аб/мил б) Рис. 7-1. Циклическое изменение давления в криогенной машине, работающей по циклу Стирлинга (по Уокеру, 1961); измеренные значения циклического изменения давления в полостях расширения и сжатия криогенной машины при а = 1800 об!мин (а) и а = 800 об/мин (б). Начало кривых соответ- ствует положению вытеснителя в верхней мертвой точке.
Е г — неменеине девлеиня в поповен сжатия; и — изменение девлеиня в полости ресшнрення; 3 — теореенческне крнвмс. рессчнтеннме по неоеермическоа теории Шмидте, В качестве примера на рис. 7-1 показаны циклические изменения давления в полостях сжатия и расширения'в криогенной газовой машине, работающей по циклу Стирлинга. Приведенные на графиках кривые изменения давления получены с помощью индикатора Фарнборо.
Для сравнения вместе с двумя указанными зависимостями, полученными для различных частот вращения, даны и теоретические кривые, рассчитанные по теории Шмидта. 69 лости сжатия; за период ото до А поток направляется в регенератор из двух полостей — сжатия и расширения. Дальнейшими расчетами можно графически показать траекто. рии отдельных частичек рабочего тела. Это сделано на рис. 7-3, где все объемы потока расположены в такой последовательности: самый верхний относится к изменению объема потока в полости расширения, а самый нижний — в полости сжатия.
Крайние кривые характеризуют траектории частичек, примыкающих непосредственно к днищам поршня и вытеснителя. Показаны также циклические траектории некоторых других частичек рабочего тела, находящихся в промежуточных сечениях. Заслуживает особого внимания поведение одной из частиц рабочего тела: эта частица никогда не покидав(п реве((еравюр, а совершает лишь квлвбательные движения внутри насадки в и(вчеиив всего цикла, что говорит о том, что ни одна частица рабочего тела не проходит через регенератор. Этот экстраординарный вывод очень важен при рассмотрении классической теории регенератора применительно к машинам с циклом Стирлинга. Из рассмотрения зависимостей на рис. 7-1 — 7-3 следует главный вывод: рабочее тело в машинах Стирлинга имеет сложный вид движения. 7-4.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАВОТЫ РЕГЕНЕРАТОРА Наиболее исчерпывающий материал по тепловым регенераторам приводится в работе Джекоба ()акоЬ), содержащей переработанные классические работы Хаузена (Нацзеп, 1929, !931 гг.), Нуссельта (Ыпззе)1, 1927 г.), Шумана (ЯСЬцшапп, 1932 г.) и Анзелиуса (Апхе11цз, 1926 г.). Илифф (41111, 1948 г.) в одной из своих работ сделал обзор и продолжил работы Хаузена и его коллег.
Коппадж и Лондон (Сорраяе, 1.оп()оп, 1953 г.) собрали и обобщили различные материалы, имеющиеся в литературе, а Кейс (Кеуз) и Лондон (1958) заложили рациональную. основу для расчета регенераторов, установив соотношения между различными формами компактных теплообменников. Полезные вклады были сделаны также Джонсоном (ЛОЬпзоп, 1952 г.) и Типлером (Т! р!ег, 1948 г.). Но ни одна из этих работ не имела непосредственного отношения к работе регенераторов применительно к машинам Стирлинга; содержащийся в них достаточно большой основополагающий или специфический материал относился к газовым турбинам. ТЦЬ РАБОЧИЕ УСЛОВИЯ Работа регенератора может рассматриваться при.различных условиях, но обычно наибольший интерес представляет циклический режим его работы. Этот режим характеризуется тем, что в результате повторяющегося нагревания и охлаждения в течение постоянного времени цикла, состоящего из двух периодов — нагревания 72 и охлаждения, температура в любой точке рабочего тела (или насадки) возвращается к прежнему значению (т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
