ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Регенераторы из "Двигатели Стирлинга " Изложенное выше имеет отношение к прямому способу нагрева, при котором теплота от химического, солнечного или радиоизотоп-ного источников энергии непосредственно передается рабочему телу через трубы или ребристые поверхности нагревателя. [c.105] Важные преимущества имеет и непрямой способ нагрева рабочего тела двигателя, осуществляемый с помощью дополнительного жидкометаллического теплообменного контура, теплоносителем в котором обычно является эвтектический сплав КаК или Ыа. Эти преимущества заключаются в том, что такая система нагрева позволяет обеспечить высокие коэффициенты теплоотдачи от жидкометаллического теплоносителя к-внешним поверхностям труб нагревателя, сравниваемых с коэффициентами теплоотдачи для их внутренних поверхностей. В результате значительно уменьшается длина труб нагревателя, что приводит к снижению мертвого объема двигателя. [c.106] Кроме того, в этом случае достигается равномерное распределение температуры нагрева труб и ребер нагревателя — на них отсутствуют горячие пятна, что позволяет повысить среднюю температуру этих поверхностей, максимальрю приблизив ее к допускаемому пределу. [c.106] Использование в промежуточном контуре нагрева тепловых труб с Ыа или с эвтектикой (КаК) позволяет отделить источники тепловой энергии от двигателя. Это особенно перспективно для двигателей, работающих от солнечной энергии, или двигателей, использующих теплоту сжигания городских, сельскохозяйственных или промышленных отходов. Непрямой способ нагрева хорошо сочетается с применением тепловых аккумуляторов в двигателях Стирлинга, предназначенных для наземного транспорта и подводных энергетических установок. [c.106] Некоторые вопросы и возможности практического использования непрямых способов нагрева в двигателях Стирлинга, разработанных фирмами Филипс и Дженерал Моторе , кратко рассмотрены в гл. 10 и 11. [c.106] Для двигателей Стирлинга могут быть использованы аналогичные, как и для две, системы с воздушным или водяным охлаждением. Однако, как отмечалось ранее, из-за меньших тепловых потерь с отработавшими газами тепловая нагрузка на систему охлаждения двигателей Стирлинга в 2 1заза больше, чем у ДВС той же мощности. Кроме того, с повышением температуры охлаждения у двигателей Стирлинга значительно снижается эффективный КПД и ухудшаются механические свойства полимерных материалов, используемые обычно для уплотнений. Поэтому желательно, чтобы температура охлаждения была по возможности минимальной. [c.106] Указанные выше причины практически исключают применение воздушной системы охлаждения в двигателях Стирлинга, за исключением отдельных случаев применения в небольших моделях двигателей и двигателей, работающих по открытому циклу последние имеют малую мощность и низкую частоту вращения и предназначены для длительной без обслуживающего персонала работы. [c.106] Вода обладает прекрасными теплофизическими свойствами, и ее использование позволяет получать достаточно высокие коэффициенты теплоотдачи при умеренной разности температур стенки и жидкости. Поэтому процесс теплоотдачи между рабочей жидкостью и стенками труб или ребрами холодильника ограничивается лишь одним внутренним конвективным теплообменом. Р азработке оптимальной конструкции холодильника должно быть уделено такое же повышенное внимание, как и разработке конструкции нагревателя, несмотря на то, что для последнего иногда необходимы специальные материалы, работающие в условиях, близких к допустимым для конструкционных материалов пределам. Иллюстрацией описанному может служить работа Китзнера [187], в которой приведены результаты о совместно разработанной фирмами Филипс и Форд конструкции четырехцилиндрового двигателя с приводом от косой шайбы типа 4-98. Отмечено, что для нагревателя достаточно всего 72 трубки, в то время как для холодильника необходимо иметь 2440 трубок диаметром 0,9 мм. В действительности конструкция нагревателя значительно отличается от конструкции холодильника, работающего -В условиях, близких к атмосферным, что позволяет использовать в конструкции холодильника более дешевые материалы (алюминиевые сплавы). [c.107] Идеальный регенератор. При предыдущем рассмотрении циклов Стирлинга и Шмидта предполагалась идеальная регенерация теплоты, которая может быть достигнута в случае, когда одна из двух температур рабочего тела или на входе в насадку регенератора (температура Те в конце процесса расширения), или на выходе из нее (температура в конце процесса сжатия) остается постоянной. Такой случай возможен при бесконечно медленном протекании процессов либо, когда коэффициент теплоотдачи или поверхность теплообмена бесконечно большие величины, а также в тех случаях, когда теплоемкости рабочего тела и насадки соответственно равны нулю и бесконечно большой величине. [c.107] И в цикле Стирлинга, и в цикле Шмидта мгновенные значения давления в насадке одни и те же, так как идеальный регенератор не имеет гидравлического сопротивления. Кроме того, для цикла Стирлинга свободный объем считается равным нулю, а для цикла Шмидта — независимо выбранным параметром, составляющим часть общего свободного объема системы. [c.107] Реальный регенератор. Условия работы регенератора в реальном двигателе значительно отличаются от тех предполагаемых условий, которые рассматривались выше для идеального случая. Температура рабочего тела на входе в насадку не постоянна, а периодически изменяется, так как процессы сжатия и расширения не изотермические. Температура на выходе из насадки регенератора также меняется, что обусловлено не только ее периодическим изменением на входе, но и ограниченными значениями коэффициентов теплоотдачи и поверхности теплообмена насадки, приводящих к конечным скоростям теплоотдачи. Другие 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. [c.108] Рабочие условия. Работа регенератора может рассматриваться при различных условиях, однако наибольший интерес представляет установившийся циклический режим его работы. Этот режим характеризуется тем, что в результате повторяющегося нагрева и охлаждения в течение постоянного времени цикла, состоящего из двух периодов (нагрева и охлаждения), температура в любой точке рабочего тела (или насадки) приобретает прежнее значение (т. е. такое же, какое было в такой же момент предыдущего цикла). [c.108] Характерные зависимости изменения температуры рабочего тела и насадки от времени приведены на рис. 5.9. Диапазон от а до б — период нагрева (период горячего дутья), в начале которого температура рабочего тела повышается от Л до 5 и, начиная с В, увеличивается, асимптотически приближаясь к постоянной входной температуре горячего потока. В период нагрева, вследствие передачи теплоты от рабочего тела к насадке, температура насадки повышается от X до К. В точке б поток рабочего тела сменяется на холодный диапазон от б до в — период охлаждения (период холодного дутья). Вследствие изменения направления потока температура рабочего тела уменьшается от С до и, начиная с точки В, уменьшается, асимптотически приближаясь к постоянной входной температуре холодного потока. В период охлаждения вследствие передачи теплоты от насадки к рабочему телу температура насадки снижается от У до X. Изменение температур рабочего тела и насадки по длине регенератора в момент изменения направления потока приведены на рис. 5.10. Верхние кривые характеризуют температуру рабочего тела и насадки в конце подачи (дутья) нагретого рабочего тела и в начале холодного нижние кривые — температурные з сло-вия в конце подачи холодного рабочего тела и в начале горячего. В любой точке по длине насадки температуры могут колебаться в диапазоне между штриховыми и сплошными кривыми в соответствии с определенными зависимостями. [c.109] Для упрощения анализа работы регенератора приняты следующие допущения. [c.110] Имеется небольшое число теоретических работ, в которых рассматривается регенеративный процесс при условиях, отличных от предположений, описанных в пп. 2—4. Большинство имеющихся данных относится к режимам с постоянными перепадами дутья и равными потоками массы. И тем не менее Джонсон, Саундерс и Смоленик исследовали этот случай. Кроме того, Саундерсом и Смо-леником для частного случая было также рассмотрено и влияние переменной удельной теплоемкости рабочего тела и насадки. Они пришли к выводу, что предположения, сделанные в п. 2, приводят к ошибке меиее чем в 1 %. [c.111] Другой интересный (но нереальный) случай, рассматривавшийся Нуссельтом, относился к регенератору с бесконечно малым периодом реверса, т. е. с бесконечно большой частотой изменений направлений рабочих тел. Теория этого случая достаточно проста и соответствует рекуператору или обычному противоточному теплообменнику с непрерывным движением двух рабочих тел, разделенных металлическими стенками. [c.111] Такое отношение представляет собой отношение количества теплоты, воспринятой рабочим телом при дутье, к количеству теплоты, накопленной насадкой его называют фактором использования. [c.112] На практике регенераторы могут иметь различные приведенные периоды и приведенные длины для горячего и холодного дутья. Поэтому следует рассматривать четыре значения этих параметров. В таких случаях Саундерс и Смолении рекомендует использовать средние значения величин, полагая (на основании расчетов, выполненных Джонсоном), что ошибка будет мала. Это весьма вероятно, так как даже в случае, когда в действительности периоды дутья не равны, приведенные периоды близки, поскольку уменьшение реального времени дутья Z обычно связано с увеличением объемной скорости потока рабочего тела V. [c.112] Вернуться к основной статье