Рабочие характеристики двигателей Стирлинга

Однако уже сейчас — на первой стадии нашего анализа рабочих характеристик двигателя Стирлинга — становится ясно, что очень трудно (а порой и почти невозможно) выделить индивидуальное влияние какого-либо параметра, поэтому при интерпретации полученных результатов необходимо соблюдать большую осторожность. Влияния температуры, давления и скорости часто могут перекрываться, и в тех случаях, когда индивидуальные влияния противоположны, общий эффект может быть весьма малым. Более того, такие параметры, как температура и давление, по-разному влияют на различные рабочие тела. Например, удельная теплоемкость одного из трех наиболее распространенных рабочих тел — гелия — не зависит от давления и температуры в пределах обычных для таких двигателей диапазонов рабочих значений этих параметров, в то же время удельная теплоемкость двух других часто используемых рабочих тел — водорода и воздуха — существенно зависит от этих параметров. Тем не менее мы попытаемся, где это возможно, разделить индивидуальные влияния параметров, что сделает более понятной их значимость и их вклад в формирование общих рабочих характеристик двигателя. Однако, даже если это будет сделано, в реальных условиях необходимо проследить влияние всех параметров в широком диапазоне рабочих режимов двигателя, и для выяснения общего характера влияния потребуется полная рабочая диаграмма двигателя. [c.79]

Подробный анализ различных определений КПД, приведенный выше, может показаться ненужным и даже искусственным, но мы считаем, что подробное освещение различных по своей природе КПД и их составляющих весьма полезно, поскольку в литературе достаточно часты случаи, когда приводимые КПД не оговариваются, и это нередко приводит к излишне оптимистичным заявлениям о преимуществах рабочих характеристик двигателя Стирлинга по сравнению с другими тепловыми двигателями. Поэтому при рассмотрении в этой главе различных аспектов воздействия температуры на рабочие характеристики мы будем тщательно оговаривать, где это возможно, приводимые результаты. Индикаторный, эффективный или какой-либо другой КПД двигателя Стирлинга весьма сильно зависит от уровня температуры, при которой энергия источника передается рабочему телу. Этим объясняется, почему большинство двигателей Стирлинга работает при постоянной [c.86]

Мы рассмотрели влияние фундаментальных термодинамических параметров на рабочие характеристики двигателей Стирлинга. Однако имеются параметры, определяющие режимы работы двигателя и связанные непосредственно с конструктивными особенностями двигателя, которые Также влияют на рабочие характеристики. Наибольшее влияние оказывают скорость двигателя и фазовый угол, характеризующий взаимосвязь между изменяемыми объемами горячей и холодной полостей фазовый угол объемов). Оба этих параметра, как правило, или устанавливаются заранее, или определяются конкретными условиями применения двигателя. Влияние каждого из них будет рассматриваться отдельно. [c.97]

Влияние изменения фазового угла объемов на рабочие характеристики двигателя Стирлинга часто преувеличивают, так как в диапазоне 80—100° мощность на выходе двигателя относительно нечувствительна к фазовому углу объемов для большинства двигателей. Теоретически изменение выходной мощности в зависимости от фазового угла объемов должно носить гармонический характер (рис. 1.85) [7]. [c.100]

Выше были рассмотрены в отдельности влияния, которые оказывают различные конструкционные и рабочие параметры на рабочие характеристики двигателя Стирлинга. На практике некоторые или даже все эти параметры могут изменяться при работе двигателя, однако влияние изменяющихся параметров [c.101]

В обоих случаях, как видно из графиков, двигатель Стирлинга не обладает явными преимуществами, однако необходимо учитывать, что при разработке двигателей Стирлинга до сих пор не уделялось большого внимания оптимизации отношения мощности к массе, что и отразилось на представленных результатах. Нельзя рассчитывать на то, что для такой оптимизации имеются большие возможности, с другой стороны, было бы неверно утверждать, что достигнутые результаты — предел. При выполнении программы разработки двигателей в США, по которой к 1984 г. было намечено достичь стадии начала производства, предпринимаются большие усилия по снижению массы двигателя. При этом следует учитывать, что, как показано в табл. 1.7, в силу присущих им рабочих характеристик двигатели Стирлинга (как и одновальные газовые турбины) не должны иметь те же значения развиваемой мощности, что и другие двигатели, и поэтому могут иметь меньшую массу, чем существующие автомобильные двигатели. [c.132]

РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА Введение [c.161]

Рис, 1.87. Влияние рабочего тела на характеристики двигателя Стирлинга [45]. [c.103]

По этим результатам вариант 3 представляется более привлекательным, за исключением того, что все перспективные двигатели, для которых получены удовлетворительные результаты,— двигатели с принудительным зажиганием и слоистым зарядом, дизели с турбонаддувом, двигатели Стирлинга и газовые турбины,— требуют значительных капиталовложений для производства в объемах, обеспечивающих их рентабельность. В модифицированном варианте 3 рассмотрена возмол<ность использования горючих смесей, составленных из синтетического топлива и бензина, полученного из нефти. Одна такая смесь испытывалась в условиях эксплуатации — это газохол (10 7о этанола, полученного из гранулированного сырья, и 90 % неэтилированного бензина). Результаты испытаний показали, что эта смесь имеет свойства, почти идентичные свойствам бензина, составляющего ее основу, и обеспечивает почти те же рабочие характеристики двигателя, что и бензин, а несколько меньший энергетический потенциал единицы объема смеси перекрывается ее более высоким октановым числом. Можно также использовать смеси бензина с метанолом [61]. [c.148]

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]

В ГЛ. 7 были представлены различные рабочие характеристики двигателя, в том числе зависимости эффективной мощности и КПД от давления рабочего тела и частоты вращения, зависимости эффективной мощности двигателя и КПД от температуры нагревателя и холодильника при постоянной частоте вращения. В работе Мейера приводится сопоставление расхода топлива при различных значениях среднего эффективного давления и частоты вращения для двигателя Стирлинга с ромбическим приводом и дизеля. [c.235]

В книге английских авторов дается обзор конструкций двигателей с внешним нагревом., работающих по замкнутому циклу (циклу Стирлинга), анализируются их рабочие характеристики. Излагаются основные вопросы теории, методы расчета и принципы конструирования таких двигателей. Рассматриваются перспективы их использования в различных областях. [c.4]

Ознакомимся теперь с рабочими характеристиками этого класса тепловых двигателей и влиянием, которое оказывают эти характеристики на требования к конструкции двигателей, предназначенных для практического использования. Анализ этих характеристик позволит понять, почему в настоящее время вновь возник интерес к двигателям Стирлинга. Прежде чем приступить к анализу характеристик двигателя, заметим, что [c.75]

Как уже было отмечено во вступлении к данной главе, в подавляющей части публикаций, посвященных двигателям Стирлинга, влияние параметров на рабочие характеристики рассматривается безотносительно к их значимости для проектирования и изготовления двигателей. Причина этого состоит в том, что во многих таких публикациях описываются опытные двигательные установки и их потенциальные возможности. Более того, часть подобных публикаций, по существу, мало отличается от рекламных проспектов. Однако и в таком подходе есть резон, поскольку он привлекает внимание к описываемому двигателю. Следует также принять во внимание, что до недавнего времени только отдельные исследователи имели доступ к экспериментальным данным и могли использовать накопленный опыт эксплуатации, а это совершенно необходимо для понимания влияния изменения рабочих параметров на конструкцию и эксплуатационные характеристики двигателя. В настоящее время положение значительно улучшилось. Поэтому при рассмотрении рабочих характеристик мы по возможности будем прослеживать взаимосвязь этих характеристик с физическими процессами. В некоторых случаях, чтобы обеспечить требуемые рабочие характеристики, в двигателях Стирлинга используют конструктивные компоненты, присущие только этим двигателям или по крайней мере удовлетворяющие требованиям, предъявляемым замкнутым рабочим циклом. Такие компоненты необходимо анализировать более детально, и это сделано в следующей главе. [c.80]

В устройствах, работающих по замкнутому циклу, в том числе и в двигателе Стирлинга, необходимо избегать потерь рабочего тела, поскольку такие потери снижают среднее давление цикла и, следовательно, выходную мощность. Имеется много путей для просачивания рабочего тела из внутренней полости двигателя например, водород под действием высоких давлений и температур будет диффундировать сквозь металлические перегородки, изготовленные из больщинства металлов и сплавов (особенно это относится к нержавеющей стали). Однако чаще всего основной причиной утечки является просачивание газа под давлением около поршней и их штоков. На первый взгляд такую утечку можно ликвидировать, установив обычные уплотнения, т. е. металлические кольца или кольца из шнура, поскольку, например, газовые компрессоры работают при давлениях, превышающих давление в двигателях Стирлинга. Однако рабочие температуры в двигателях Стирлинга выше, чем в компрессорах, и это усложняет решение проблемы уплотнений. В двигателях внутреннего сгорания рабочие температуры сопоставимы с температурами в двигателях Стирлинга, однако в двигателях Стирлинга уплотнения должны работать в атмосфе ре, не содержащей масла, поскольку при попадании масла из картера в рабочие полости происходит его пиролиз и образование углеродных отложений, засоряющих теплообменники и особенно высокопористые регенераторы. Кроме того, масло в картере может загрязняться просачивающимся рабочим телом. Усовершенствование уплотнений не должно производиться за счет увеличения трения, поскольку это может привести к недопустимому падению рабочих характеристик на валу двигателя. Из сказанного видно, что создание работоспособной конструкции уплотнения для двигателей Стирлинга с высоким внутренним давлением представляет достаточно серьезную проблему. Этот вопрос рассматривается в разд. 1.7. Необходимо уяснить, что использование газообразного рабочего тела, находящегося под высоким давлением, делает чрезвычайно вероятной утечку газа безотносительно к степени совершенства уплотняющих устройств. Следовательно, чтобы поддерживать выходную мощность двигателя на одном уровне в течение длительного периода эксплуатации, такая утечка должна компенсироваться. Практически это означает, что на двигателях Стирлинга с высоким давлением должен быть установлен компрессор, автоматически нагнетающий сжатый газ в двигатель при падении давления цикла ниже определенного уровня иными словами, должен быть обеспечен процесс подкачки . Компрессор может быть расположен как внутри двигателя, так и вне его. В двигателе с косой шайбой Форд — Филипс имеется внутренний поршневой компрессор, состоящий из небольших порш- [c.81]

Если конструкция и конструктивные параметры двигателя Стирлинга оказывают влияние на уровни давления и температуры, а также на циклические изменения характеристик энергосиловой установки, то они влияют и на выходную мощность, и на КПД двигателя. В каждом двигателе Стирлинга имеются полости, из которых рабочее тело не вытесняется при движении поршня, в особенности в современных двигателях с трубчатыми теплообменниками и решетчатыми регенераторами. Эти не-вытесняемые объемы образуют, как уже было сказано выше, мертвый объем двигателя Стирлинга . Этот термин представляется весьма удачным, поскольку мертвый объем в буквальном смысле является таковым. При данном значении массы рабочего тела, заключенного в двигателе, возрастание мертвого- [c.94]

Однако на этом графике наблюдается и исключение из общей тенденции — при частоте 1600 Гц дизель имеет более низкий уровень шума. Показанная на этом графике характеристика шума двигателя Стирлинга снята с двигателя с ромбическим приводом, который, как правило, имеет более низкий уровень шума, чем двигатели Стирлинга с приводами обычного типа. Помимо отсутствия клапанного механизма и взрывов в рабочей полости, что характерно для всех двигателей Стирлинга, ромбический привод обеспечивает снижение уровня шума благодаря отсутствию ударов поршня о стенки цилиндров, так как на поршень практически не действуют боковые силы. Однако в ромбическом приводе имеются шестерни, необходимые для синхронизации движения поршней, которые, очевидно, являются источником шума. Далее в двигателях Стирлинга, работающих на жидком топливе, обычно применяются нагнетатели для подачи воздуха в камеру сгорания, которые также являются источниками шума. Это заставляет предположить, что скорость двигателя может оказывать влияние на уровень шума, и такое предположение подтверждается результатами испытаний двигателя мощностью 300 кВт (рис. 1.93). [c.108]

Вплоть до середины 60-х годов основными направлениями исследований в области тепловых двигателей были снижение их стоимости и повышение надежности. Растущая озабоченность загрязнением окружающей среды выбросами тепловых и особенно автомобильных двигателей привела в конце 60-х годов к поиску двигателей, которые обеспечивали бы уменьшение вредных выбросов либо за счет совершенствования современных конструкций, либо за счет каких-то присущих новым двигателям особенностей протекания рабочего процесса, не ухудшающих рабочих характеристик и экономичности потребления топлива. Именно в это время возник и начал расти интерес к двигателям Стирлинга, особенно со стороны изготовителей автомобильных двигателей в США, Требования к топливной экономичности [c.181]

Однако к этому времени благодаря усовершенствованиям в аккумуляторных батареях и электронных устройствах уменьшилась потребность в портативных генераторных установках малой мощности. И все же удивительно, что двигатель Стирлинга повышенной мощности не был доведен до стадии серийного производства, хотя еще в 1948 г. двигатель двойного действия У-4 мощностью И кВт был продемонстрирован в лаборатории фирмы Филипс ( г. Эйндховен) крупнейшему изготовителю двигателей — Генри Форду II [9], а аналогичных размеров двигатель двойного действия с косой шайбой был подготовлен к выпуску к началу 50-х годов [95]. Дальнейшему прогрессу двигатель Стирлинга обязан фирме Дженерал моторе , которая предложила фирме Филипс разработать совместную программу разработок таких двигателей, однако в то время Филипс уклонилась от этого предложения [45]. О причинах этого можно только гадать, но фактом является то, что примерно в 1946—1947 гг. в фирму Филипс влилась новая группа исследователей, после чего предпочтение было отдано использованию двигателя в качестве рефрижератора и холодильной машины, а не источника механической энергии. Сразу же начала выполняться соответствующая программа, принесшая фирме Филипс существенный коммерческий успех в этой области. Одноступенчатая машина, построенная в 1963 г., обеспечивала температуру 12 К с охлаждающим эффектом, достаточным для получения сверхпроводимости в пластине из сплава ниобия с оловом, так что стержневой магнит мог висеть в воздухе над этой пластиной. В этот первый период совершенствования двигателя обратного действия (т. е. двигателя, работающего в режиме холодильной машины) были достигнуты важные результаты, связанные с применением в качестве рабочего тела водорода и гелия, что уменьшило потери на перетекание и улучшило рабочие характеристики. Успех работ по холодильным машинам и утрата предполагавшегося рынка для двигателя Стирлинга как источника механической энергии, казалось бы, закрывали перспективы использования этого двигателя для получения мощности на выходном валу. Однако благодаря энтузиазму и энергии Мейера — одного из инженеров фирмы Филипс — эти работы были продолжены, а изобретение Мейером в 1953 г. ромбического привода обеспечило двигателю Стирлинга будущее. Генераторная установка с ромбическим приводом показана на рис. 1.137. [c.189]

Двигатель Стирлинга можно использовать во всех областях, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую. В самом деле, почти нельзя назвать ни одной сколько-нибудь серьезной области потенциального применения двигателя Стирлинга, в которой уже не было бы предпринято попытки его использования или по крайней мере такая возможность не изучалась. При этом нельзя выделить каких-то необычных областей применения, поскольку во всех случаях имеются альтернативные источники механической энергии аналогичного назначения. По рабочим характеристикам или приспособленности альтернативные установки могут уступать двигателю Стирлинга, однако нет оснований утверждать, что двигатель Стирлинга— это единственно подходящий источник механической энергии для данной области применения, хотя было бы трудно, например, представить паровую турбину или дизельный двигатель в качестве привода искусственного сердца. Развитие двигателей Стирлинга, как и других источников механической энергии, стимулировалось, как правило, техническими и социально-экономическими требованиями времени. Так, например, о возможности использования двигателя Стирлинга на автомобиле особенно не задумывались до 1962 г., когда общество начало испытывать беспокойство по поводу загрязнения окружающей среды, и только в 70-х годах, в условиях энергетического кризиса, влияние которого ощущается еще и сейчас, в программы совершенствования автомобильных двигателей Стирлинга начали вкладывать значительные средства. [c.197]

Перспективы использования двигателя Стирлинга для морских судов представляются особенно привлекательными, поскольку многих проблем, связанных с использованием двигателей Стирлинга на суше, в условиях открытого моря не существует. Скорость вращения вала судового винта или ротора электрогенератора намного ниже скорости вращения вала автомобильного двигателя. Следовательно, можно отдать предпочтение использованию в качестве рабочего тела гелия или воздуха (или азота), а не водорода, поскольку это не повлечет за собой ухудшения рабочих характеристик (рис. 1.87 и 1.88). [c.200]

Существует несколько модификаций двигателя Стирлинга, но, видимо, слишком оптимистично было бы предполагать, что один и тот же идеальный цикл применим ко всем типам двигателя Стирлинга. Поскольку идеальные циклы касаются только термодинамики энергосиловой установки, отличие конкретного рабочего параметра от эквивалентного ему критерия работы служит мерой отклонения механических и гидравлических характеристик сконструированной системы, обусловленного выбранным механизмом привода, материалом и конструкцией теплообменника, конструкцией уплотнений, относительным мертвым объемом и т. д. При анализе идеального цикла возникают две основные проблемы во-первых, используемый цикл должен правильно описывать термодинамические особенности рабочего процесса (например, нельзя описывать адиабатный процесс как изотермический и наоборот) во-вторых, нужно выбирать наиболее полезные для практики, т. е. измеряемые, критерии работы, в противном случае анализ будет представлять лишь академический интерес. При анализе двигателя, работающего по циклу Стирлинга, наиболее трудной является, по-видимому, первая проблема. Если предположить, что процесс обмена энергией происходит в рабочих полостях переменного объема, то принципиально правильными в предельном случае будут модели изотермического процесса. Однако если в систему входят отдельные теплообменники, то перенос энергии в рабочих полостях переменного объема обычно мал по сравнению с переносом энергии в указанных теплообменниках, и в этом случае более точным будет предположение о том, что процесс газо- [c.230]

По определению все рабочее тело требуется удержать в системе двигателя Стирлинга. Если допускаются утечки, то преимущества работы по замкнутому циклу полностью не реализуются. Небольшие утечки неизбежны, но следует всеми возможными способами контролировать их. Чтобы сделать это, необходимо знать места утечек. Как мы уже отмечали, существуют два элемента конструкции, в которых возможны утечки — уплотнение штока поршня и трубка нагревателя, причем последняя опасна лишь в том случае, если используется водород. Проблема уплотнений является, по существу, эмпирической, и хотя имеются основные теоретические концепции по этому вопросу, они довольно сложны и включают много параметров, взаимосвязь между которыми не вполне ясна. Условия работы уплотнений в двигателе Стирлинга уникальны, и поэтому проблема разработки математической модели вызывает существенно большие трудности, чем аналогичная, уже довольно сложная проблема для обычных систем уплотнения. Сейчас нет сомнений в необходимости разработки такой модели, поскольку промыш-. ленное производство двигателей Стирлинга во многих случаях тормозится из-за отсутствия надежной технологии уплотнений. В настоящее время предпринимаются попытки улучшить положение дел [36, 37], и читатели, интересующиеся этим вопросом, могут обратиться к указанным источникам. Возможен и другой подход к решению задачи, предусматривающий расчет характеристик уплотнения в двигателе Стирлинга, считая его напряженным элементом конструкции и применяя для расчета напряжений метод конечных элементов [38]. Однако в настоящее время задача решается эмпирическими методами и теоретические основы, которые позволили бы получить аналитическое решение рассматриваемой проблемы, практически отсутствуют. [c.262]

В гл. I более или менее подробно рассматривалось по отдельности влияние различных конструктивных и рабочих параметров на характеристики двигателя Стирлинга. На практике можно при работе изменять в некоторых пределах давление, температуру, скорость вращения вала и иногда мертвый объем. Поскольку изменение одного определяющего параметра может привести к изменению нескольких или всех остальных определяющих параметров, для полного описания общих рабочих характеристик двигателя Стирлинга необходимо учесть все эти эффекты, что молено сделать графически с помощью рабочих диаграмм двигателя, как показано на рис. 1.89. Такие диаграммы содержат большое число данных, так что весьма нелегко выделить влияние различных параметров или определить конкретные закономерности, которые могли бы помочь конструктору или потребителю быстро оценить технические характеристики конкретного двигателя или возможность его использования. Следовательно, в подобных обстоятельствах обращение к многочисленным рабочим диаграммам не всегда облегчает выбор двигателя и, разумеется, не позволяет определить влияние его размеров. Кроме того, нет возможности использовать программы численного расчета, поскольку для их применения требуется слишком много подробных входных данных. Можно использовать результаты расчета идеальных термодинамических циклов типа описанных в первой части гл. 2, но, поскольку они не учитывают практических особенностей работы машины, сомнительно, чтобы такие результаты привели к правильным выводам, если только исследователь не имеет достаточно большого опыта, чтобы разумно интерпретировать их, а это можно сделать лишь в том случае, если известны необходимые коэффициенты незнания . Однако в некоторых случаях могут быть полезны результаты анализа псевдоцикла. [c.305]

В двигателе Стирлинга давление вне трубки мало по сравнению с внутренним давлением, и им можно пренебречь. Параметры Ко и Do — это константы растворимости и диффузии, которые можно найти с помощью законов Зиверта и Фика [42], AHs — скрытая теплота растворения, а Еа — энергия активации процесса самодиффузии. Таким образом, можно видеть, что скорость просачивания водорода сквозь твердый материал зависит от многих факторов. Давление и температура являются рабочими параметрами и определяют рабочие характеристики двигателя, поэтому их изменение с целью облегчения проблемы диффузии может и не улучщить конечных результатов. Аналогичным образом изменение площади поверхности трубки или ее толщины может противоречить теплопрочностным требованиям. Следовательно, лищь физические характеристики материала — коэффициент растворимости К и коэффициент диффузии D — являются теми двумя параметрами, которые можно изменять с наименьшими ограничениями. Однако значения этих двух коэффициентов практически неизвестны для материалов, исполь- [c.264]

Рис. 13.8. Расчетные характеристики двигателя Стирлинга типа Р150У8 мощностью 150 кВт [149]. В двигателе использовалась система регулирования мощности изменением среднего давления рабочего тела непринудительное воздушное охлаждение радиатора от вентилятора при температуре окружающей среды 30 °С на высоте 150 м над уровнем моря

Наши знания о влиянии мертвого объема на характеристики двигателя ни в коей мере нельзя считать удовлетворительными, и требуются дополнительные исследования по этому вопросу, как теоретические, так и экспериментальные. Например, при выполнении анализа адиабатного цилиндра методом, известным как полуадиабатный метод, поскольку в нем принято считать теплообменники внутренне изотермическими, авторы установили, что индикаторный КПД конкретного двигателя можно увеличить, увеличивая мертвый объем в этом двигателе, если дополнительный объем разместить в холодной зоне. Этот не предполагавшийся заранее результат тем не менее легко объясним. При наличии дополнительной холодной полости большее количество рабочего тела будет подвергаться действию пониженных температур цикла, и как прямое следствие основных термодинамических зависимостей, выраженных уравнением (1.2), КПД увеличится. Однако если дополнительный объем располагается в горячей зоне, то, поскольку двигатель Стирлинга работает при постоянной температуре нагревателя, не будет условий для повышения КПД дополнительный объем будет влиять в сторону понижения температуры в горячей зоне и, следовательно, КПД. Влияние увеличения мертвого объема на выходную мощность будет в обоих случаях одинаковым безотносительно к месту расположения дополнительного объема мощность будет уменьшаться. [c.96]

За исключением мокрого Флюидайна , в двигателях Стирлинга используются однокомпонентные рабочие тела, если воздух считать чистым газом. Эти рабочие тела не только однокомпонентны, но и однофазны. Нет никаких причин, препятствующих использованию многокомпонентных многофазных рабочих тел, тем более что такие тела могут дать некоторые термодинамические преимущества, поскольку могут воспринимать более высокие степени сжатия. Тем не менее в настоящее время используются исключительно газообразные рабочие тела, причем практически без исключений только воздух (азот), гелий и водород. Как уже было показано выше, влияние рассмотренных нами параметров не зависит от того, какой из трех газов использовался в качестве рабочего тела. Однако, хотя тенденции и совпадают, конкретные цифры различны. Большая часть имеющейся литературы, если обратиться к публикациям достаточно общего характера, создает впечатление, что водород является наиболее подходящим рабочим телом, и в процессе первоначального изучения нами основных принципов и конструктивных особенностей двигателей Стирлинга это впечатление усилилось. Однако если водород обладает столь очевидными преимуществами, то почему все еще используют и остальные два газа, особенно гелий, хотя он и более дорогой Мы уже рассмотрели некоторые проблемы, связанные с использованием водорода, например необходимость /компенсировать просачивание водорода через материалы, с которыми он контактирует, и повышение хрупкости этих материалов, но если водород имеет такие неоспоримые преимущества, то с этими проблемами надо смириться. В первых аналитических работах (например, [44]) высказываются предположения, что водород является лучшим рабочим телом с точки зрения обеспечения высоких рабочих характеристик только в некоторых режимах работы, в других режимах наиболее подходящими могут оказаться другие два обычно используемых газа. Однако необходимо помнить, что большая часть усилий по совершенствованию двигателей Стирлинга предпринимается с целью установ- [c.102]

Если потери энергии, показанные на рис. 1.104, удалось бы уменьшить, то помимо увеличения части тепловой энергии, преобразующейся в полезную работу, увеличилась бы и тепловая нагрузка на холодильник, что в автомобильном варианте двигателя потребовало бы дополнительного увеличения теплового потока через радиатор, поскольку, как мы уже говорили, повышение температуры в холодильнике вызывает заметное снижение КПД. Поэтому, когда требование компактности энергосиловой установки является определяющим, то улучшение рабочих характеристик не только дает преимущества, но и создает определенные проблемы. Поскольку целью продолжающегося совершенствования двигателей Стирлинга является улучшение их рабочих характеристик, то, по-видимому, необходимо испытать какие-то иные охлаждающие жидкости для использования в силовой установке Стирлинга, например фреон, который благодаря своим характеристикам, связанным с изменением фазового состояния, имеет хорошие перспективы в этом качестве. [c.121]

До сих иор мы рассматривали особенности работы двигателей Стирлинга и предъявляемые к ним требования без сравнения с другими типами тепловых двигате.лей. Поэтому, чтобы завершить оценку, проведем детальное сравнение с другими двигателями. Помимо таких параметров, характеризующих работу двигателей, как КПД, удельная выходная мощность и т. п., при сравнении будут учтены и такие факторы, как стоимость, технологичность и возможность применения альтернативных топлив. Сравнение с учетом всех этих факторов необходимо для достижения его полноты и объективности. Слишком часто приходится сталкиваться в публикациях с произвольными сравнениями, которые делаются или с излишним энтузиазмом по отношению к двигателям Стирлинга, или со столь же необъективным отрицательным к ним отношением. Авторам первых меньше везло, в то время как предвзятость авторов последних можно легко понять. Сейчас во всяком случае ясно, что нужны не необоснованные II сверхоптимистичные предсказания блестящего будущего двигателей Стирлинга, а конкретные экспериментальные значения рабочих характеристик и результаты расчетов, подтвержденных экспериментальными данными. [c.122]

Однако при сравнении двигателей различных типов возникает проблема подбора эквивалентных систем, иначе сравнение не принесет большой пользы. Например, сравнение наиболее совершенного двигателя Стирлинга с дизелем наиболее неудачной конструкции вряд ли окажется полезным. Имется еще один фактор, усугубляющий проблему,— неточность термина эквивалентный применительно к энергосиловым установкам. Например, какие двигатели следует сравнивать — дающие одинаковую мощность на выходном валу, имеющие близкие значения удельной мощности или имеющие одинаковую цену В конкретных условиях применения различные двигатели, имеющие одинаковую мощность, не обязательно обеспечат одинаковые рабочие характеристики. Например, различные типы двигателей для большого семейного автомобиля, обеспечивающие заданное значение времени ускорения при разгоне с места до скорости 100 км/ч, будут иметь технические характеристики, приведенные в табл. 1.7 [55]. [c.123]

Прежде чем сравнивать конкретные двигатели по удельному эффективному расходу топлива, желательно было бы собрать и обобщить больше ин( >ормации о различии в рабочих характеристиках сравниваемых двигателей, используя совокупность результатов по целому ряду типичных двигателей каждого типа. Необходимо заметить, что большое количество результатов, от-носяшихся к двигателям Стирлинга, получено на динамометрических стендах, а не при испытаниях автомобилей, а некоторые данные-получены на основе расчета на ЭВМ моделей, обладающих достаточной степенью достоверности. Результаты испытаний автомобилей вплоть до 1980 г. не совпадали с достаточной степенью точности с расчетными данными, однако намечали пути реализации потенциальных возможностей двигателя. Удельные эффективные расходы топлива различных энергосиловых установок, предназначенных для использования в качестве автомобильных источников энергии, сравниваются на рис. 1.112 [53]. [c.129]

Циклические изменения давления и фазового угла мокрого Флюидайна также отличаются от соответствующих характеристик обычного двигателя Стирлинга, в то время как сухой Флюидайн , как утверждают, имеет рабочие характеристики, аналогичные рабочим характеристикам обычного двигателя Стирлинга с жестким кривошипно-шатунным механизмом. Перемещения мениска жидкости, эквивалентные движению твердого поршня, не точно следуют синусоидальному закону. Между [c.151]

Оказалось, что результаты, полученные при использовании псевдоцикла Стирлинга, соответствуют закономерностям и характеристикам реальных двигателей, хотя некоторые выводы и вызывают возрджения. Основные сомнения связаны с интерпретацией идеального цикла, поскольку, по некоторым замечаниям, в нем используются газодинамические процессы, которые не достижимы или не встречаются в практическом двигателе. Подобные замечания справедливы, но довольно очевидны, поскольку идеальные циклы по определению состоят из идеальных и обратимых термодинамических процессов, которые не достижимы в реальных устройствах. Однако использование идеальных циклов и интерпретацию результатов последующего анализа необходимо согласовывать с практическими возможностями. Проблема заключается в том, как найти зо.потую середину . Например, цикл с двойным сгоранием, используемый при анализе рабочего процесса, протекающего в дизеле, дает более реальные значения рабочих характеристик, чем исходный цикл дизеля, но его сочли гипотетическим циклом, выдуманным для того, чтобы получить приемлемые результаты, пока не отражающие идеальных характеристик дизельного двигателя [4]. Если бы критические замечания относительно псевдоцикла Стирлинга основывались на тех же доводах, они были бы более обоснованными. Во всяком случае, этот вопрос интересен в основном для педантов. Трудность проблемы состоит в том, что двигатели Стирлинга не работают по циклу Стирлинга, и в литературе царит путаница в вопросе о том, какие нужно применять критерии работы и рабочие характеристики. [c.229]

Регенератор обычно изготавливается из пористого материала, образующего длинный извилистый канал для протекающего по нему рабочего тела, чтобы обеспечить наибольщую площадь поверхности контакта между материалом регенератора и газом. Высокие значения суммарного коэффициента теплоотдачи в регенераторе достигаются не только за счет развитых теплообменных поверхностей, но п за счет малых гидравлических диаметров. Эти факторы обеспечивают близкую к единице эффективность регенеративных теплообменников при условии, что теплоемкость материала существенно больше теплоемкости рабочего тела. Это условие в общем ограничивает использование регенераторов случаем систем с газообразным рабочим телом. Регенераторы используются на различных крупных предприятиях типа доменных и стеклоплавильных печей, а также на газотурбинных станциях. Эти регенераторы обычно представляют собой крупные теплообменники, размеры которых достигают 40 м и в которых направление потока не меняется в течение периодов, составляющих многие часы. Регенераторы, применяющиеся в современных двигателях Стирлинга, считаются большими, если их диаметр превышает 60 мм, а периоды движения потока в одном направлении составляют несколько миллисекунд. Поэтому большая часть подробных аналитических результатов, полученных для крупных инерционных регенераторов, вряд ли применима для регенераторов двигателя Стирлинга, хотя основные концепции и принципы работы являются, по существу, одинаковыми. В регенераторах малого размера гораздо больщее значение имеют такие факторы, как аэродинамическое сопротивление, влияние стенки кожуха регенератора и задержка рабочего тела. Последний эффект вызван тем, что некоторая часть рабочего тела не может пройти весь канал регенератора. и задерживается внутри него на несколько циклов вследствие сложности природы колеблющегося и возвратного течения, а это отрицательно влияет на характеристики теплообмена в регенераторе. [c.251]

Проблема еще больше усложняется, если учесть реальные термодинамические и газодинамические характеристики процессов в двигателе Стирлинга. Температуры рабочего тела, вьтхо-дящего из рабочих полостей переменного объема, не постоянны (т. е. изотермические условия не достигаются), поскольку процессы являются, по существу, адиабатными. Даже в тех условиях, когда рабочее тело течет в нагревателе и холодильнике по трубкам, наружная поверхность которых поддерживается практически при постоянной температуре, температуры рабочего тела на концах регенератора будут периодически изменяться по времени и возможны даже отдельные моменты, когда либо течение отсутствует, либо создаются встречные потоки, либо газ в одно и то же время вытекает с обоих концов регенератора [29]. Площадь теплообменной поверхности не бесконечна, а газодинамические характеристики и теплофизические свойства рабочего тела (плотность, давление, скорость, вязкость) переменны происходит кондуктивный перенос тепла в осевом направлении, аналогичный перенос по нормали к потоку не является идеальным и т. д. Чрезвычайно сложно даже качественно разобраться в реальной ситуации, не говоря уже о том, чтобы провести расчет. [c.254]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...