ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Смешанные рабочие тела из "Двигатели Стирлинга " Введение. Предварительное исследование смешанных рабочих тел для двигателей Стирлинга было проведено Уокером и Агби [3631. Они рассматривали смешанное рабочее тело, состоящее из двух компонентов — газового носителя и компонента с изменяющимся фазовым состоянием. Изменение фазового состояния второго компонента от жидкого до парообразного происходит в период перемещения рабочего тела из холодной полости через регенератор в горячую. [c.138] Основным преимуществом смешанного рабочего тела является возможность получения высокой удельной мощности при существующих уровнях среднего давления рабочего тела. Другое преимущество смешанного рабочего тела обусловлено наличием процессов испарения и конденсации, которое связано с улучшением условий теплообмена и появляющейся возможностью разрешения проблемы уплотнений для узлов с возвратно-поступательным движением. [c.138] Автор и Агби провели предварительное изучение смешанных рабочих тел путем сравнения их в ряде идеализированных термодинамических циклов Шмидта. Для сравнения была выбрана воздушно-водяная смесь, характеризующаяся некоторым коэффициентом массового соотношения компонентов (воды и воздуха) р = = т Ша. [c.138] Исследования показали, что для одних и тех же условий в цикле — максимальной и минимальной температуры, объема и максимального давления (определяющие соответственно стоимость, размеры и массу двигателя) — площадь рабочей диаграммы цикла со смешанным рабочим телом значительно больше, чем с обычным газовым рабочим телом. Другими словами, для одного и того же двигателя применение смешанного рабочего тела приводит к увеличению полезной работы. [c.138] Физическая суть описанного явления состоит в том, что переход одного из компонентов рабочего тела из жидкого состояния в парообразное сопровождается повышением степени сжатия с последующим увеличением отношения давления и полезной работы за цикл. [c.138] Повышение степени сжатия в двигателе является весьма желательным. Однако в реальных двигателях Стирлинга возможность повышения степени сжатия свыше 2,5 вызывает дополнительное увеличение поверхности теплообмена или неприемлемо высокого гидросопротивления (на это обстоятельство указывалось ранее). [c.138] Изотермический анализ цикла со смешанным рабочим телом. Теория Шмидта, рассмотренная в гл. 2, с небольшими изменениями применима и для двухкомпонентного двухфазного рабочего тела. [c.139] Предполагается, что смешанное рабочее тело состоит из двух компонентов, один из которых — идеальный газ, а другим может быть жидкость (в полости сжатия при низкой температуре) или пар (в полости расширения при высокой температуре, где он считается идеальным газом). Коэффициент соотношения масс р = = Шу/Ша принимается неизменным, как для всей системы, так и при фазовом переходе одного из компонентов из жидкого состояния в парообразное. [c.139] По теории Шмидта, изменение температуры рабочего тела в регенераторе линейно. Для смешанного рабочего тела предполагается, что мертвый объем регенератора разделен на два разных объема с заданными температурами и Тс- Общая масса смешанного рабочего тела в регенераторе поделена в них поровну. На границе раздела объемов происходит скачок температуры, сопровождающийся фазовым изменением одного из компонентов, а смещение самой границы раздела происходит с сохранением равенства масс рабочего тела в объемах при каждом режиме перехода. Физического объяснения сделанным допущениям нет. Это принято лишь для удобства расчетов, и возможно, что такая модель в будущем вызовет необходимость дальнейшего своего усовершенствования. [c.139] Общее давление р рабочего тела определяется суммой парциальных давлений двух компонентов, мгновенное значение которой в любой точке остаётся постоянным, т. е. [c.139] Оптимизированные по теории Шмидта расчетные зависимости для двигателей и холодильных машин приведены в гл. 3. Значения конструктивных параметров для частного случая при т = 0,3, X = 1, к = 0,74 и а 0,54я рад при = 1000 К и = 300 К приняты в качестве параметров стандартной компоновки двигателя и будут использованы для сравнения в Дальнейшем. [c.144] Влияние состава смешанного рабочего тела на рабочие диаграммы двигателя. Для указанных выше конструктивных параметров стандартной компоновки были рассчитаны рабочие диаграммы трех циклов Шмидта при р, равном 0 1 2 (рис. 6.7), где для каждого цикла показано синхронное изменение давления и объемов в соответствующих полостях расширения, сжатия, а также и в общей рабочей полости. Площади рабочих диаграмм полостей сжатия и расширения эквивалентны работам сжатия и расширения, а площадь рабочей диаграммы общей рабочей полости — индикаторной работе двигателя, равной эквивалентной разности площадей рабочих диаграмм полостей расширения и сжатия. [c.144] Влияние коэффициента соотношения масс компонентов 5 на работу цикла. Результаты последующего влияния коэффициента соотношения масс компонентов на показатель увеличения работ цикла Шмидта приведены на рис. 6.8, где дана зависимость = f (Р) для различных значений т от т = 0,1 Те = 3000 К, Тс = = 300 К) до т 0,5 Те = 600 К, Тс = 300 К). Интересно отметить, что при очень высоких температурах (т —0,1) наличие фазо-изменяющегося компонента при Р 2 отрицательно влияет на работу цикла, и, как видно из графика, в этом случае 1. Для каждого из остальных вариантов повышение доли фазоизменяю-щегося компонента в рабочем теле приводит к увеличению отношения работ что особенно заметно при низких температурах. Исходя из приведенных зависимостей, повышение удельной мощности более чем в 3 раза отмечается при т = 0,5 Те = 600 К, Тс = 300 К). Это особенно может быть полезным для будущих разработок энергосистем с низкотемпературными циклами, утилизирующими теплоту отработавших газов двигателей или использующих солнечную энергию с применением плоских концентраторов. [c.145] С увеличением Р параметр мощности растет (рис. 6.9, а) с незначительным смещением его максимумов по фазовому углу а. [c.145] Зависимость изменения отношения вытесняемых объемов к от параметра мощности приведена на рис. 6.9, б. С увеличением р параметр мощности растет со смещением его максимальных значений в сторону уменьшения к. [c.145] Влияние изменения отношения температур т на параметр мощности показано на рис. 6.9, в. Уменьшение т соответствует увеличению температуры полости расширения Те при постоянной температуре полости сжатия Тс- При использовании газового рабочего тела мощность двигателя однозначно растет с повышением температуры Те- Иное положение наблюдается в случае смешанного рабочего тела. С уменьшением т для р = 1 параметр мощности увеличивается и имеет максимальное значение для р = 2 параметр мощности сначала незначительно повышается до своего максимального значения при т = 0,2, а затем при повышении температуры в полости расширения до т = 0,1 уменьшается. Такая неоднозначная зависимость мощности от температуры Те рассматривается как важная и несколько необычная характеристика двигателя, которую можно использовать в некоторых случаях для систем регулирования и управления. [c.145] Зависимость изменения относительного мертвого объема X от параметра мощности приведена на рис. 6.9, г. Известно, что для двигателей с газовым рабочим телом мертвый объем считается важным конструктивным параметром, и для получения максимальной мощности он должен быть уменьшен до минимального значения. Поэтому в случае смешанного рабочего тела представляет значительный интерес меньшая чувствительность мощности двигателя к изменениям мертвого объема. Действительно (рис. 6.9, г), мощность двигателя возрастает с увеличением относительного мертвого объема до X = 1, затем мощность двигателя постепенно падает. Такая взаимозависимость мощности и мертвого объема имеет важное значение и позволяет использовать в теплообменниках конструкции более прочных элементов с большой внутренней поверхностью. [c.146] Распределение массы и массовые скорости потоков. Представляет интерес и распределение массы смешанного рабочего тела в двигателе Стирлинга. Полученные зависимости для массы, выраженной в безразмерном виде для стандартной компоновки двигателя с газовым (Р — 0) и смешанным (р = 2) рабочими телами для полостей сжатия и расширения (без учета массы в мертвом объеме), приведены на рис. 6.10. [c.146] Анализируя графики, можно отметить большую концентрацию массы смешанного рабочего тела в полости сжатия и соответствую-ш.ее ее уменьшение в полости расширения по сравнению с газообразным рабочим телом. Такое распределение масс со смешанным рабочим телом в полости сжатия предположительно объясняется тем, что парообразный компонент при низкой температуре должен иметь нулевой объем и давление для того, чтобы давление газового компонента в полости сжатия превышало давление в полости расширения. Это явление сопровождается дополнительным повышением плотности рабочего тела, изменяющейся с температурой. Повышение концентрации массы в полости сжатия, по-видимому, обусловливает и уменьшение оптимального отношения вытесняемых объемов к с увеличением коэффициента соотношения масс р (рис. 6.9, б). [c.147] Циклические изменения массовых скоростей газового и смешанного рабочих тел в полостях сжатия и расширения показаны на рис. 6.П. В обоих случаях (Р = О и р = 2) кривая С — С представляет собой массовую скорость потока из полости расширения, а кривая С—К—Е — Ь полость расширения аналогично кривая Я—В — массовую скорость в полость сжатия, а кривая В—У—О —- из полости сжатия кривая О—Ь—N — массовая скорость потока в полость сжатия. [c.147] Вернуться к основной статье