ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Адиабатный цикл Финкельштейна из "Двигатели Стирлинга " В 1960 г. Финкельштейном был разработан обобщенный термодинамический анализ работы двигателей Стирлинга, в котором процессы сжатия и расширения рабочего тела в цилиндрах двигателя не ограничиваются условиями изотермичности, а рассматриваются между двумя предельными случаями изотермическим, с бесконечно большим коэффициентом теплоотдачи между рабочим телом и стенкой цилиндра, и адиабатным (с нулевым коэффициентом теплоотдачи). [c.46] В такой модели предполагается, что в теплообменниках, нагревателе и холодильнике существует бесконечно большой тепловой поток и обеспечиваются изотермические условия. Поэтому рабочее тело в теплообменниках имеет всегда или максимальную температуру Те, или минимальную Тс- Температура рабочего тела в цилиндрах, изменяющаяся в течение цикла, находится в пределах температур и Тс. Все остальные перечисленные выше важнейшие предположения, относящиеся к циклу Шмидта, справедливы для обобщенной теории Финкельштейна, поэтому этот анализ также является идезлизированным. [c.46] В теории Финкельштейна один из предельных случаев — изотермический — полностью соответствует циклу Шмидта для других случаев, промежуточных и другого предельного адиабатного, Финкельштейном были выведены соответствующие уравнения. Теория легко поддается численному анализу с помощью стандартных методов расчета она существенно упрощается с введением предположения об адиабатных процессах сжатия и расширения. [c.46] В своей работе Финкельштейн привел только некоторые результаты, которые относились к тепловому насосу с соотношением температур т = Тс/Те = 2. Следует отметить, что эффективность теплового насоса снижалась от 1 при изотермических процессах до 0,543 при адиабатных. Аналогичный результат был получен и Стоддартом в 1960 г., установившим, что термический КПД двигателя Стирлинга с изотермическими процессами сжатия и расширения в циклах Шмидта и Карно уменьшался с 50 до 34 % для адиабатного цикла. [c.46] Анализ показал, что термический КПД адиабатного цикла двигателя является функцией не только температур, как в изотермическом цикле, а зависит также и от конструктивных параметров к, а и X. Но выходная мощность в обоих случаях — функция всех этих параметров. Результаты, полученные Уокером и Ханом, впервые позволили получить некоторое представление о влиянии на термический КПД двигателя, помимо температур, и его конструктивных параметров. Несколько неожиданным было повышение термического КПД двигателя при увеличении мертвого объема, несмотря на уменьшение выходной мощности, которое вытекает из теории Шмидта. [c.47] В 1976 г. Ли вновь рассмотрел адиабатный цикл Финкельштейна с использованием быстро составленной и хорошо работающей программы на языке ФОРТРАН IV. Эта программа, содержащая подробную пояснительную документацию, полностью приведена в качестве приложения к статье автора [198]. [c.47] На рис. 2.1, взятом из работы Ли [198], показано изменение температуры рабочего тела в двигателе Стирлинга с адиабатным циклом. Параметры двигателя следующие температура нагревателя Те = 1000 к, температура холодильника Т = 300 К а = 105° к =1 X =1. Следует отметить, что температура рабочего тела в полости расширения в основном ниже номинальной температуры нагревателя. Средняя температура рабочего тела в полости расширения составляет 900 К, что на 100 К ниже температуры Те, а средняя температура рабочего тела в полости сжатия совпадает с номинальной температурой холодильника Незначительный вклад в развитие теоретического анализа адиабатного цикла внесли Квейл и Смит [271 ], а также Риас и Смит [286], которые независимо один от другого оценили эффекты необратимости. Это позволило провести изучение некоторых вопросов теплообмена методом последовательных приближений с требуемой степенью точности. [c.47] Теоретических работ по рассматриваемому вопросу фирмы Филипс или фирм, работающих по ее лицензиям, до настоящего времени опубликовано очень мало. В имеющихся публикациях упоминается о широком использовании ЭВМ и о способности оценить действительные характеристики двигателей с точностью 1—2 %. [c.47] Многочисленные данные, накопленные автором в течение нескольких лет, позволили заключить, что фирмой Филипс разработан целый ряд программ расчета характеристик двигателей Стирлинга на ЭВМ. Фирма Филипс разрабатывает как программы расчета самих циклов с различной степенью их сложности и допущениями, так и программы расчетов отдельных элементов и узлов двигателя (трубчатые нагреватели, холодильники, механизмы привода и т. п.). [c.48] Термодинамическая моделирующая программа фирмы Филипс близка к той, которая была выполнена ранее Смитом. Она построена на основе адиабатного цикла Финкельштейна, рассчитываемого с последовательными приближениями и поправками. [c.48] Одно из преимуществ фирмы Филипс по сравнению с другими заключается в ее огромном практическом опыте, накопленном за время многолетней работы над двигателями Стирлинга. Такое преимущество позволяет вносить соответствующие поправки в расчетные характеристики двигателя для получения точной и реалистичной модели. [c.48] Температура рабочего тела, °0. [c.48] При расчете двигателя предполагалось, что температурная кривая, отличающаяся ог идеальной, совпадает по фазе с кривой изменения давления, т. е. так же, как и в случае идеальных процессов. Эта температурная кривая оказывает влияние не только на амплитуду давления, что было принято ранее, но также и на фазовое смещение давления и объема. Предполагалось, что некоторому элементу объема при определенной идеальной температуре соответствует определенная масса рабочего тела с изменением температуры этого объема изменяется и его масса, т. е. предполагаемая температурная кривая соответствует различному массораспределению в цикле, что обусловливает иное изменение давления. В этом случае кривая смещается на некоторый фазовый угол по отношению к прежней идеальной кривой изменения давления. Таким образом, различие между идеальной температурой рабочего тела в цилиндрах, теплообменниках и соединительных трактах (с одной стороны) и действительной температурой (с другой) неизбежно приводит к смещению по фазе давления и объема. Эти потери, названные адиабатными остаточными потерями , очевидно, имеют максимальное значение при наибольшем изменении давления, соответствующем определенному фазовому углу. При большом фазовом угле смещения, когда объем газа, находящийся между поршнями, совершает лишь возвратно-поступательное движение, а амплитуда давления определяется разностью температур между горячей и холодной полостями, влияние этих потерь невелико. [c.49] Другая поправка, введенная в расчет адиабатного цикла, касалась учета потерь от гидравлического сопротивления (см. рис. 2.2). [c.49] Как видно из графика, эти потери малы при нулевом мертвом объеме, но значительны при других вариантах, рассмотренных Фейером. Их максимальные значения соответствуют большим фазорым углам смещения объемов, характеризуемых повышенными массовыми расходами. [c.50] Наконец, были рассмотрены и внесены в расчет адиабатного цикла поправки, обусловленные тепловыми потерями, вызванными теплопроводностью. Они не оказывают влияния на мощность двигателя и незначительно влияют на КПД двигателя. [c.50] Все рассмотренное выше — лишь краткое и неполное изложение важной работы Фейера, опубликованной одновременно с другой, не менее важной работой Захариаса в 1973 г. [390]. [c.50] По некоторым данным, а также по материалам совещаний, опубликованным в 1978 г., изменение в политике фирмы Филипс приведет в будущем к публикации валшых материалов. [c.50] Вернуться к основной статье