1598005352-c8ee7d2a5515e9724b112e615ad75d2e (811199), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Можно убедительно показать, что выражение «цикл Стнрлннга» применимо только для идеального термодннамнческого цнкла а название «двнгатель Стнрлннг໠— для определенной разновнд. ности машины, которая, кстати сказать, не работает по циклу Стнрлннга — положение, не проясняющее данный вопрос. С точки зрения принципа действия рассматриваемого двигателя наиболее правильным было бы название «тепловая регенеративная машина», но вводить в настоящее время этот термин слишком поздно; поэтому в дальнейшем во всех случаях по-прежнему будет широко использоваться название «двигатель Стирлинга».
Четкое различие всегда можно сделать лишь между теми машинами, в которых управление потоком рабочего тела осуществляют либо путем изменения его объема (двигатели Стирлияга), либо с помощью клапанов (двигатели Эриксона). Сделать это можно на том основании, что оии имеют совершенно различные характеристики. 1-3. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ Двигатели Стирлинга и Эриксона имеют длинную историю, которая была детально изучена Финкельштейном (1959 г.) '. Машины конца ХЧП1 в. можно считать первенцами тепловых воздушных двигателей, но их основное развитие относится к началу Х1Х в.
Первым работающим двигателем такого типа был, вероятно, тепловой воздушный двигатель открытого цикла, построенный Георгом Кайлеем (Оеотяе Сау!еу) в 1807 г, Приблизительно в 1816 г. Робертом Стирлингом (цоЬег! 8!!г1!пя), священником из Шотландии, был изобретен тепловой двигатель с регенерацией, работавший по замкнутому циклу. Позднее, шведский изобретатель Джон Эриксон (3оЬп Ег!сззоп), работавший в Англии, сконструировал регенеративный тепловой двигатель открытого цикла. Впоследствии в течение всего Х1Х в. в Англии, Европе и США широко использовались тысячи подобных двигателей самых разнообразных форм и габаритов. Они были надежными, достаточно эффективными и, что самое важное, безопасными по сравнению с современными паровыми машинами.
Мощность этих двигателей была небольшая — от 0,185 до 3,7 кВт (от 0,25 до 5 л. с.), ио строились также и более мощные. Возможно, что наиболее интересным был двигатель, построенный Эриксоном в 1853 г. для морского судна. Двигатель имел четыре цилиндра и при диаметре поршней 4,27 м, ходе 1,52 м, частоте вращения 9 об!мин развивал мощность около 220 кВт (300 л. с.). Двигатель был установлен на корабле «Эриксон», впоследствии опрокинутом штормом в ньюйоркском порту. Приблизительно в середине Х1Х в. был изобретен двигатель внутреннего сгорания; его последующее развитие в виде бензиновых двигателей и дизелей наряду с изобретеннным в это же время электродвигателем явилось причиной резкого уменьшения использования двигателей Стирлинга, и к 1914 г.
они'уже практически не применялись. Однако производство двигателей Стирлннга специального назначения, как, например, двигателей, работавших на керосине и служащих приводом для вентиляторов, которые использовались в тропических странах, продолжалось в Англии по крайней мере до 1946 г., а модели этих двигателей выпускаются до сих пор.
.' См. список лат«ратуры. !о 1-А ДВИТАТВЛИ ФИРМЫ «ФИЛИЛС» Начало исследовательских работ по двигателям Стирлинга было положено в лабораториях фирмы «Филипс» в Эйндховене вконце 30-х годов; с этого момента в их развитии наблюдается непрерывный прогресс. Вначале эти работы были направлены на разработку двигателей для небольших электрогенераторных установок, предназначенных для питания радиоаппаратуры и другого подобного оборудования для использования в отдаленных районах земного шара, где аккумуляторные электробатареи были малодоступны.
Последующее развитие радиоламп н аккумуляторов и в особенности использование транзисторов уменьшили потребность в небольших электрогенераторных установках. Однако к этому времени были достигнуты уже значительные успехи, сяособствующие дальнейшим исследованиям, в которых особое значение придавалось развитию двигателей большой мощности. Эти исследования включали экспериментальные разработки двигателей различной мощности до 330 кВт (450 л.
с.) с более интересными характеристиками, чем у существующих двигателей внутреннего сгорания. К основным преимуществам двигателя Стирлинга фирмы «Филипс» следует отнести малый уровень шума и малую степень загрязнения воздуха выхлопными газами при значениях эффективного к. п. д. и удельной мощности сравнимых или лучших, чем у бензиновых двигателей или дизелей. Именно это сочетание характеристик, отвечающее все возрастающей заботе людей об окружающей среде, усилило внимание к использованию двигателей Стирлинга в транспорте. Проводимые в настоящее время интенсивные исследования и разработки направлены на создание более совершенного прототипа двигателя для транспорта и связанных с ним систем.
Направления научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ фирмы «Филипс» были изложены доктором Мейером (Ме!!ег) в 1969 г.' Другие работы по двигателям Стирлинга, проводившиеся фирмой «Дженерал моторс» (Оепега! Мо!огз) с 1958 по 1970 г. по лицензиям фирмы «Филипс», детально описаны доктором Хефнером (Нейпег) в 1965 г. По более поздним лицензиям фирмы«Филипс» работают группа по изучению двигателя Стирлинга МАН вЂ” МВМ (М.А. И. — М.%.М.), созданная в 1967 г. в ФРГ, и шведский консорциум «Юнайтед Стирлинг АВ» (1)п!!ей 6!!г!!пя АВ), образованный в 1968 г.
Краткая сводка о деятельности этих двух фирм приведена Ниленом (Хее1еп) и др. (1971 г.). В настоящее время обсуждаются и другие лицензионные соглашения. ' Доктор Мейер — веду»«ня спеца«ласт по хвнгат«ляя Стнрлнвг«фнрмы «Филипс». (Прим. вере«.! «-5.
ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ» Двигатели Стирлннга хорошо работают и в режиме холодильных машин. Эти возможности были впервые выявлены еще в 1834 г. .Джоном Хершелем ()ойп Негяейе!), а в 1876 г. Александр Кирк (А!ехапбег К!Гк) дал описание машины, которая работала в течение 10 лет. Но тем не менее только в конце 1940-х годов была сделана серьезная попытка использовать холодильные машины, работающие по циклу Стирлинга, в коммерческих целях. И снова за решение этой задачи взялась фирма «Филипс» в Эйндховене. Первая .холодильная машина для ожижения воздуха была изготовлена в 1955 г. С тех пор интенсивные работы в этой области привели к созданию целого ряда криогенных газовых машин с широким диапазоном по холодопроизводительности, и в настоящее время такие машины выпускаются как для проведения различных криогенных научных исследований, так и для промышленных целей.
Холодильные машины, работающие по обратному циклу 'Стирлинга, .наиболее эффективны в диапазоне криогенных температур (очень низкие температуры), в более высоком диапазоне температур (низкие температуры, используемые в промышленности и в быту) в на.стоящее время главным образом работают фреоновые парокомпрессионные холодильные машины.
Некоторые фирмы, в том числе такие, как «Малакер и Хьюз эйркрафт», США (Ма1акаг 1.айя 1пс., Нняйея А!гсгаН Со.) выпускают для продажи небольшие (или.даже миниатюрные) криогенные машины. Эти компании совместно с Северо-Американским отделением фирмы Филипс (й!ог!й Ашег!сап Рй)1!ря 1пс.), специализирующиеся на производстве миниатюрных охладителей, считают своей основной целью производство небольших криогенных машин для электронной промышленности, где они используются в основном дчя охлаждения инфракрасных детекторов, применяемых в различных военных и гражданских целях.
ПолУчили Развитие и другие поршневые регенератнвные кри генные машины, в частности ожижитель гелия Коллинза (Со!1(пя), разработанный фирмой «А. Д. Литтл инкорпорейшн» (А. О. 1,!1!1е 1пс.), а также машины, работающие по принципу Джиффорда— .Мак-Магона (С»!11огб — МсМайоп). Во всех этих машинах имеются клапаны, и в соответствии с ранее принятым определением оии .должны быть отнесены к машинам, работающим по цнклуЭрик.сона; в дальнейшем они здесь рассматриваться не будут. Из этого, .конечно, не следует, что указанные машины не представляют интереса. Разработанная Коллинзом (8апше! Со!11пя) в Массачусетском технологическом институте (М1Т) простая, дешевая н надежная » Под термином «холодильные машины» здесь педра»уме»«ются вообще машины, работа«нине по обратному циклу Стирлинга.
Криогенные газовые машины (КГМ! — »то холодильные машины, работающие по обратному циклу Стирлинг« с температурного уровня Т (!00 К (ожижителн газов и криогенные рефрижераторы). (Прим. перев.) расширительная машина, позволившая получать жидкий гелий, является одним из важных достижений криогенного машиностроения, что открывает широкие возможности к всесторонним исследованиям с гелием. В будущем это может обеспечить прогресс в деле использования сверхпроводимости в линиях электропередачи и в электронике. Было проведено много исследований и по двигателям Стирлинга, но они пока не привели к какому-либо коммерческому воплощению, хотя и внесли существенный вклад в их развитие, главным образом в классическую теорию, что нашло отражение в работах Финкельштейна (Р!пке!я(е!п), Смита (Впн(й) и Уокера (»Ча)кег).
ГЛАВА ВТОРАЯ ИДЕАЛЬНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ 2-К НЕКОТОРЫЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Первый и второй законы термодинамики, по-видимому, применимы ко всем тепловым машинам, в том числе и к двигателям Стирлинга. Первый закон термодинамики. Первый закон термодинамики, известный как закон сохранения энергии, отрицает возможность создания постоянно действующего двигателя (или некоего термодинамического «черного ящика»), который производил быработу без затраты энергии. Первый закон термодинамики требует равенства количества подведенной к машине и отведенной от нее энергии (в любой форме). Рассмотрим энергию топлива (бензин и воздух), подводимого к двигателю внутреннего сгорания с искровым зажи'ганием.
Бензин и воздух соединяются в процессе горения, образовавшиеся горячие газы приводят в движение двигатель. Из всей энергии, содержащейся в топливе, около одной трети преобразуется в полезную работу двигателя, другая треть отводится системой охлаждения, а оставшаяся треть энергии как низкопотенциальная тепловая энергия выбрасывается с выхлопными газами. При прекращении подачи бензина двигатель останавливается. Этот пример — прямое проявление первого закона термодинамики, в основу которого положены различные опытные данные.
Второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики, возможно, менее, понятен. Одна из формулировок второго закона гласит, что невозможно создать периодически действующую систему с потреблением теплоты из некоего резервуара и превращением ее полностью в работу. Первый закон термодинамики говорит о том, что полученная работа никогда не может быть больше подводимой теплоты, в то время как второй закон уточняет это положение и утверждает, что работа должна быть всегда меньше. Применительно к бензиновому двигателю внутреннего сгорания второй закон термо- !3 динамики отрицает возможность превращения всей подводнмой энергии, содержащейся в топливе, в полезную работу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
