ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Газообразные рабочие тела из "Двигатели Стирлинга " Теоретический анализ рабочих тел. Впервые сравнение параметров различных газообразных рабочих тел и установление степени их влияния на характеристики двигателей Стирлинга было выполнено Мейером (1970 г.). Указанные на рис. 6.1 графические зависимости лишь кратко отражают выполненные на ЭВМ оптимизационные расчеты, проведенные фирмой Филипс с использованием усовершенствованной моделирующей программы. [c.125] Все расчеты относились к одноцилиндровому двигателю Стирлинга мощностью 165 кВт с номинальными температурами нагревателя и холодильника, соответственно равными 700 и 25 °С, и максимальным давлением рабочего тела в цикле И МПа. [c.125] И водорода). По мере смещения кривых слева направо и вдоль каждой кривой частота вращения возрастает, а размеры двигателей уменьшаются. Для каждой из указанных частот вращения были рассчитаны максимальный эффективный КПД и эффективная мощность. [c.126] Из анализа правой части графика очевидно, что воздух нецелесообразно использовать для высокооборотных двигателей с высокой удельной мощностью. Более того, с повышением частоты вращения и мощности двигателя использование водорода значительно выгоднее, чем гелия. Поэтому для автомобильных двигателей, где удельная мощность является одним из важных параметров, водород, по всей вероятности, будет наиболее предпочтительным рабочим телом. Чрезвычайно важно также и то обстоятельство, что с применением водорода эффективный КПД может быть значительно повышен. [c.126] Полученные зависимости дали возможность Мейеру представить конструктивный абрис большого четырехцилиндрового двигателя с ромбическим приводом мош,ностью 660 кВт (рис. 6.2, а). Возможно, что последующие разработки двигателей двойного действия позволят почти в 2 раза уменьшить его размеры (рис. 6.2, б). [c.127] Вопросу влияния рабочих температур нагревателя и холодильника на КПД двигателя при использований различных рабочих тел было уделено особое внимание в исследованиях Мичелса (1976 г.). По результатам расчета на ЭВМ цикла Стирлинга фирмы Филипс , он получил зависимости индикаторных КПД двигателя от температур нагревателя и холодильника для трех рабочих тел (водорода, гелия и азота). Все расчеты базировались на одноцилиндровом двигателе фирмы Филипс типа 1-98, имеющем следующие параметры вытесняемый объем Vq — 98 см , эффективная мощность Pg = 15 кВт, частота вращения п = 3000 об/мин, максимальное давление рабочего тела в цикле /7тах = 22 МПа. Температуры нагревателя равны 850, 400 и 250 С, а температуры холодильника составляют 100 и О °С. В процессе исследований основная конструкция двигателя оставалась неизменной, а размеры нагревателя, холодильника и регенератора изменялись лишь в допустимых пределах так, чтобы размеры двигателя были прежними. Теплообменники оптимизировались по максимальному индикаторному КПД, определяемому отношением мощности двигателя без механических потерь к подводимой к нагревателю теплоте . [c.128] Результаты выполненных расчетов приведены на рис. 6.4, где индикаторные КПД даны в зависимости от значения эффективной мощности для различных значений температур рабочих тел, указанных выше. [c.128] К сожалению, автором на графиках не была указана частота вращения двигателя (было отмечено, что частота вращения увеличивается вдоль кривой слева направо). Нет никакой информации также и о давлении рабочего тела, кроме замечания о том, что давление и размеры определяли, исходя из максимального значения индикаторного КПД. Поэтому рассматриваемые графики менее полезны, чем те, которые были приведены несколько ранее. [c.128] Для определения эффективного КПД (штриховые линии) в расчетах были приняты ориентировочные значения механических потерь, включающие в основном потери мощности на преодоление кинематического трения между деталями двигателя. [c.128] Необходимо отметить, что по осям абсцисс на всех графиках предусмотрена логарифмическая шкала, поэтому отмечается существенная разница в значениях мощности на относительно коротком ргасстоянии между такими точками, как А и В (рис. 6.4, а). [c.128] По-видимому, рост давления на рис. 6.4 происходит вдоль кривых слева направо, т. е. аналогично росту частоты вращения (см. рис. 6.1 и 6.4). [c.129] Необходимо также отметить, что так как объемное содержание воздуха составляет 79 % N2 и 21 % Ог, то результаты, полученные для азота, могут быть применимы без каких-либо значительных поправок и для воздуха. [c.130] Сравнение экспериментальных данных. Опубликованных экспериментальных данных о влиянии свойств рабочих тел на характеристики машин Стирлинга очень мало. В статье Дроса, опубликованной в 1965 г., приведены сравнительные характеристики большой холодильной машины Стирлинга, работающей на водороде и гелии. Конструктивно машина выполнена по схеме с оппозитно расположенными поршнями, имеет водяное охлаждение с расходом и темг пературой воды соответственно равными 20 м /ч и 15 С. При работе на температурном уровне выше 110 К максимальное давление в цикле составляет 6 МПа. При более низких температурах для поддержания постоянной и максимально возможной подводимой к валу машины мощности, равной 134 кВт, давление в цикле снижается. Измеренные значения холодопроизводительности подводимой к машине мощности Р и расчетные величины относительного холодильного коэффициента 1Г1/г]й в зависимости от температурного уровня охлаждения Те при одних и тех значениях максимального давления и частоты вращения для двух рабочих тел (водорода и гелия) приведены на рис. 6.5. Сравнительный анализ показывает, что холодопроизводительность машины на водороде выше, а подводимая мощность меньше, чем для машины, работающей на гелии. Дрос также отметил, что при криогенных температурах гелий в меньшей, чем водород, степени отличается от идеального газа, поэтому в данном случае преимущества водорода менее заметны, чем при использовании его в двигателях. [c.130] В 1964 г. Лофтусом была сделана оценка влияния водорода и гелия на характеристики четырехцилиндрового двигателя Стирлинга мощностью 265 кВт [205]. Этот двигатель типа 4-51210 был построен фирмой Филипс по заказу отделения электродвижителей фирмы Дженерал Моторе для его проверки на судах Военно-мор-ского флота США (более подробное описание двигателя приведено в гл. 10 и И). Испытания двигателя проводили на водороде, а затем на гелии при этом в конструкцию отдельных узлов двигателя были внесены лишь незначительные изменения. Некоторые результаты испытаний приведены на рис. 6.6. Эти результаты показывают, что двигатель, работающий на водороде, имеет лучшие показатели по эффективной мощности и КПД. [c.130] Теплофизические свойства рабочих тел. Какими свойствами должно обладать рабочее тело, используемое в двигателях Стирлинга Ответ на этот вопрос заключен в свойствах переноса, характеризующихся вязкостью, коэффициентом теплопроводности, удельной теплоемкостью и плотностью. Эти свойства для воздуха, водорода, гелия, двуокиси углерода и водяного пара приведены в табл. 6.1. [c.131] Указанные свойства рассматриваются с двух точек зрения — теплообмена и гидравлических потерь. Удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности оказывают существенное влияние на процессы теплообмена рабочего тела в холодильнике, нагревателе и регенераторе. Плотность и вязкость важны в отношении гидравлических потерь они предопределяют затрачиваемую работу по циклическому перемещению рабочего тела в двигателе для обеспечения необходимого переноса теплоты от нагревателя к рабочему телу или от рабочего тела к холодильнику. Эти потери прямо пропорциональны рУ 2, где р — плотность рабочего тела V — скорость рабочего тела (газа). [c.131] Оптимальным рабочим телом считается такое, чьи свойства определяют высокий коэффициент теплоотдачи Н и низкие гидравлические потери, пропорциональные рУ72. Из анализа свойств, приведенных в табл. 6.1, водород имеет лучшие свойства переноса. В результате при заданных тепловом потоке, давлении и температурах гидравлические потери в двигателе на водороде меньше, чем при использовании гелия или воздуха. Аналогично при заданных гидравлических потерях, температурах и давлении двигатель на водороде может работать с большей частотой вращения, чем на воздухе или гелии. Поэтому такие двигатели имеют и большую удельную мощность. [c.133] Анализ установивилегося потока. Ввиду сложного движения потока рабочего тела в двигателе Стирлинга нелегко осуществить количественную оценку преимуществ одного рабочего тела перед другим без применения сложной математической модели и без использования ЭВМ. Более простым и приемлемым способом является рассмотрение режима установившегося потока, для которого аналогичное сочетание высоких теплопередающих свойств рабочего тела с низкими гидравлическими потерями также является очень важным. Данное обстоятельство довольно часто встречается в инженерной практике особенно большое значение это имеет в газоохлаждаемых ядерных реакторах. Халл дал прекрасную модель теплового расчета системы охлаждения ядерного реактора, и предлагаемый ниже метод является лишь его сокращенным вариантом, позволяющим провести сравнительную оценку различных теплоносителей (хладагентов). [c.133] Здесь необходимо учесть, что WIA=Ql T i--T A, (6.13) где Тх и 7 2 — температуры теплоносителя соответственно на входе и выходе из канала. [c.134] Вернуться к основной статье