1598005352-c8ee7d2a5515e9724b112e615ad75d2e (811199), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Устройство достаточно простое, но весьма эффективное в том случае, если вытесннтель н стенки цилиндра выполнены из очень тонкогоматернала, 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 н течения рабочего тела очень важно также выдерживать постоянный зазор в кольцевом канале по всей длине. Проблема теплообмена в кольцевом канале с осевым температурным градиентом н с движущимся возвратно-поступательно одним из элементов этого канала, по-внднмому, не изучалась н может быть рекомендована для исследовательской работы в университете. Пределы применимости регенератнвного кольцевого канала не определены, но, вероятно, система будет все менее н 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 «Фнлнпск Т-Ы, 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 нз гильзы, изготовленной нз прессованной бумаги с низкой теплопроводностью, в которую произвольно укладывается короткая медная проволока диаметром 0,0254 мм. Автором было найдено, что ячейки, сплетенные нз медной проволоки и проволоки из фосфорнстой бронзы, являются эффективной насадкой для регенераторов. Насадка может быть изготовлена из различной толщины проволоки н 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 нз способов изготовления состоит в том, чтобы сначала придать пакету проволочных сеток такую форму, чтобы он мог выдерживать нагрузку под действием веса.
Затем 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 ннх были перпендикулярны оси потока, иначе осевая теплопроводность может стать слишком большой. Спекание с небольшой нагрузкой не приводит к существенному увеличению осевой теплопроводностн сеток, поскольку нз-за значительного уменьшения пористости улучшается набивка насадки.
Невозможно дать точные рекомендации по конструированию регенератора, хотя заслуживают внимання следующие моменты. Используемая проволока должна быть тонкой (0,0254 — 0,0508 мм), плотно уложенной и спрессованной так, чтобы промежутки были минимальны. Трудно добиться хорошего значения мертвого объема, но по крайней мере, половину его должен занимать свободный объем регенератора. Как правило, в конструкцин регенератора должны соблюдаться такие соотношения, чтобы общая площадь поперечного сечения канала равнялась площади поперечного сечения обычного цилиндра с диаметром, равным его длине. ТИ2.
НЕКОТОРЫЕ ДАННЫЕ ПО ТЕПЛООБМЕНУ И ГИДРАВЛИЧЕСКОМУ СОПРОТИВЛЕНИЮ ПРОВОЛОЧНЫХ СЕТОК С ПЛОТНЫМИ ЯЧЕЛКАМИ Ряд данных по теплообмену н 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 Васншта (1969 г.) н Ваном (1971 г.); однако других результатов, с которыми можно было бы сравнить этн данные, нет. С целью тарнровки измерительной аппаратуры Васишта получил некоторые данные по ячейкам нз нержавеющей стали, размеры которых были сопоставимы с ячейками, исследовавшимися Коппаджем, н его результаты хорошо совпадали с данными Коппаджа. Измеренные данные для двух размеров сеток приведены соответственно на рис.
7-9 и рис. ?-1О. Сетки 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). 85 н с Рис. 8-1. Первый вариант теплового воздушного двигателя мощностью 0,735 кВт (! л, с.) (приблизительно 1946 г.). т — иилкообрааный шатун рабочего поршни; т — коленчатый аал; 3 — балансир, саедннеаиый рычагами 4 и З со штоком ьытеснители б и с шатуном 1. Рис.
8-2. Электрогенератор $мощно. стью 200 Вт с двигателем Стирлинга воздушного охлаждения, 8-2. двигдтйли 89 88 проделана достаточно большая работа, позволявшая продемонстри- ровать двигатель и для других областей его применения. Поэтому были начаты исследования по двигателям большой мощности н по криогенным газовым машинам, работающим по циклу Стирлинга. Для двигателей большой мощности схема, приведенная на рис, 8-1, непригодна, поскольку требует применения картера под давлением, что приводит к тяжелой н громоздкой машине. По-видимому, двигатель, который'изобрел Рнии, устраняет эту трудность и не требует применения тяжелого картера.
Схема двигателя Рини приведена на рис. 8-3. По этой схеме все цилиндры взаимосвязаны: верхняя полость расширения одного цилиндра через канал с нагревателем, регенератором и холодильником соединена с нижней полостью сжатия смежного' цилиндра. В двигателе Рини количество движущихся возвратно-поступательно узлов сведено к одному, и в сочетании с приводом от косой шайбы был создан очень компактный четырехцилиндровый двигатель.
Вы. явившиеся впоследствии трудности ( в основном в вопросах смазки, уплотнения и гидравлического сопротивления) заставили вновь вернуться к одноцнлиндровым двигателям вытесннтельного типа. Это возвращение связано с изобретением нового приводногомеханизма, названного доктором Мейером в 1959 г. ромбическим приводом. С этого времени все исследования и конструкторские разработки были сконцентрированы именно на таких машинах, пока Рис, 8.3. Схема двигателя Ринн двойного действия.
совсем недавно не были вновь возобновлены работы по двигателям Рини. Представляется, что изобретение ромбического приводадля одноцилиндровых двигателей вытеснительного типа и схема Рнии для многоцилиндровых двигателей являются двумя фундаментальными вкладами, внесенными фирмой «Филипс». Ромбический привод позволил возвратиться к двигателям вытеснительного типа без необходимости повышении давления в картере.
Кроме того, он обеспечивает возможность полного уравновешивания двигателя, чего нельзя добиться в одноцнлнндровых машинах с кривошипно-шатунным механизмом. Другим преимуществом ромбического привода является то, что исключаются трение и износ уплотнительных колец, вызываемые боковым усилием от головок шатунов рабочего поршня и вытеснителя. Основной недостаток ромбического привода — его относительная сложность. Основные элементы ромбического привода Мейера показаны на рис. 8-4. Он состоит из сдвоенных кривошипно-шатунных механизмов, идентичных по конструкции и смещенных на одинаковые расстояния от оси двигателя.
Кривошипы вращаются в противоположных направлениях и соединены с помощью одинаковых зубчатых колес. Шатуны соединяются верхней и нижней траверсами (серьгами): шатуны рабочего поршня — верхней, а шатуны вытесннтеля— соответственно нижней траверсой. При работе движения рабочего поршня и вытеснителя гармонические по закону, близкому к синусоидальному, но с соответствующим смещением по фазе, что позволяет осуществить необходимое изменение объемов сжатия и расширения. Было затрачено много усилий на развитие и усовершенствовнне двигателей Мейера. Экспериментальной оценке подвергались самые разнообразные двигатели, начиная от одноцилиндрового мощностью 3,68 кВт (5 л.
с.) до четырехцилнндрового мощностью ~( ! (70 Руна«с га ча 80 80 700 720 Рис. 8-5. Схема двигателя Мейера фирмы «Филипс». 1 — форсунка; 1 — камера сгорання;  — подогреватель воздуха; 4 — трубке нагревателя( 6 — ребра; 6 регенератор; 7 — трубки холоднльннкв;  — бубырная полость; 9 — протввовес; 10 — зубчатое колесо; 11 — кРивошип; ы— серьга вытесннтелн; 1 — шатун вытесвнтеля; 14 — шатун рабочего поршня; 16 — серьге рабочего поршня; 16 — шток рабочего поршня; 17 — рабочей поршень: 16 — шток вытесннтеля; 19 — полость сжатия; 10 — цнлнндр; 7! — вытесннтель; 17 — вход воздуха; 76 — полость расширения; 74 — кольцевой бандаж азгреватсля; 16 — выпускное отверстве для продуктов сгорання топлива.
Рис. 8.-4. Схема одноцилиндрового вытеснительного типа двигателя Мейера с ромбнческим приводом. 1 вмтесннтель; 7 — шп»к вмтсс янгеля;  — рабочяй поршень; 4 — шток рабочего норшяя (полый); 6 — противовесы; 6 — серьги (траверсы1 равной длани; 7 — шатуны равной длпны;  — кривашнл; 9 — зубчатые колеса. 265 кВт (360 л. с.). Теоретически проанализированы двигатели большой мощности для морских судов и систем с ядерным реактором (Мейер, 1969 — !970 гг.). Схема усовершенствованного двигателя Мейера показана на рис, 8-5.
Двигатель имеет водяное охлаждение, а для нагревания используются природные топлива. Усовершенствованные двигатели этого типа работают при очень высоком давлении рабочего тела, в качестве которого используется не воздух, а водород или гелий. Использование указанных рабочих тел связано с тем, что теплофизическне свойства водорода и гелия (удельная теплоемкость, удельная теплопроводность и вязкость) наиболее благоприятны для двигателей с высокой удельной мощностью.
ба о ь 50 й ча 30 3 га д га вам а Рис. 8-6. Сравнительные характеристики двигателей Стирлинга фирмы" «Филипс» с различными рабочими телами: воздухом, водородом и гелием. Зависимость максимального эффективного к. п. д. Ч,ф одноцнлиндровогодвигателя Стирлинга с ромбическим приводом мощностью 165 квт (225 л. с.) от удельной мощности (мощность на валу, л. сул) для трех различных рабочих тел. Результаты сравнительного анализа, проведенные фирмой «Филипс» для определения оптимального эффективного к. п.
д. в зависимости от удельной мощности двигателя для различных рабочих тел, даны на рис. 8-6. При низких значениях частот вращения и удельной мощности разница между приведенными зависимостями небольшая, но она становится заметной при болыпих частотах н высокой удельной мощности. Увеличение удельной мощности требует повышения частоты вращения, что ведет к снижению т),ф. Важно отметить, что исследования проведены для двигателей мощностью 225 л. с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
