ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА
Могли ли первые производители автомобилей объяснить, почеп они предпочли разрабатывать для своих машин двигатели Отто, а не Стирлинга Возможно, у них были свои соображения и предпочтения на этот счет. Хочете:
рить, что от двигателей Стирлинга отказались не навечно и их широкое ис — іьзование в будущем все еше может стать перспективным.
Двигатели Стирлинга обладают следующими преимуществами:
I. Их теоретическая эффективность больше, чем у двигателей Отто и Дизеля.
2 Они могут работать на различных видах топлива.
3. Будучи двигателями внешнего сгорания, они оказывают меньшее вредное воздействие на окружающую среду. Хотя при их работе также выделяется диоксид углерода и другие вещества, но благодаря высокой эффективности, удельное количество выбросов невысоко. Они могут работать на топливах, имеющих низкое соотношение углерода и содержащегося водорода, что позволяет производить больше энергии на единицу углеродных выбросов.
4. Они являются устройствами с низким уровнем шума, поскольку внутри них не происходит взрыва топлива.
В юбавление можно сказать, что цикл Стирлинга может найти применение холодильной технике. В этом случае отпадет необходимость использования. огически опасных фреонов.
В связи с очень вероятным наступлением эры топливных элементов будущее ы механических тепловых двигателей стоит под вопросом. Тем не менее не it забывать о тепловых двигателях и, в частности, о двигателе Стирлинга. Цикл Стирлинга состоит из процессов изотермического сжатия, изохориче — го подвода теплоты, изотермического расширения и изохорического отво — тепдоты (см. табл. 3.4). Эффективность работы двигателя можно увеличить, отьзуя регенерацию выходного тепла, более детально описанную чуть позже, ютвует целый рад разнообразных модификаций двигателя Стирлинга, ко — е заслужили репутацию надежных преобразователей энергии. В табл. 3.7 в едены наиболее известные из них.
Во всех конфигурациях используются два поршня. В некоторых ситуаци — один поршень является силовым поршнем, а другой вытеснителем. Различие ними станет более понятным, когда мы рассмотрим несколько примеров, сразу оговоримся, что силовой поршень сжимает газ или, наоборот, совер — работу при расширении газа. Вытеснитель не совершает никакой работы, они служат для передачи рабочего тела из одной области машины в другую, кинематических двигателях оба поршня через систему муфт присоединены ому ведущему валу. В модификации «свободный поршень» сам поршень не шен механически ни с одной частью двигателя.
В модификации «Ringbom» применяются один кинематический и один сво — !ЫЙ поршень.
Поскольку модификация «Альфа» является самой простой, здесь мы обсудим бс лее детально.
|
Таблица 3. /. Несколько модификаций двигателя Стирлинга
|
Рассмотрим два цилиндра, соединенных между собой трубкой так, как это показано нарис. 3.11. Один цилиндр (назовем его «горячий») постоянно подогревается внешним источником тепла, которым может быть огонь, радиоизотопная капсула, сконцентрированное солнечное излучение и т. д. Температуру газа в цилиндре примем равной Тн. Другой цилиндр (назовем его «холодный») постоянно охла>. дается проточной водой, направленным на него холодным воздушным потоком, а в небольших двигателях он может охлаждаться путем естественной конвекции Температура газа в этом цилиндре равна Тс То есть, как и любой другой тепловой двигатель, он имеет источник тепла и холодильник.
|
Рис. 3.11. Первые две фазы в модификации «Альфа» двигателя Стирлинга |
Пространство над поршнем заполнено рабочим газом (на практике это может быть водород или гелий). В данном случае предположим, что рабочий газ имеет у = 1,4. Объем каждого цилиндра в результате движения поршня пусть изменяется от 10_3 м3 до нуля, т. е. от 1 л до нуля.
Изначально (положение 0) «холодный» поршень находится внизу своего цилиндра. Объем рабочего тела в цилиндре 10_3м3, температура Тсо = Тс= 300 К и давление (в обоих цилиндрах) pCj = pm = 105 Па, или 1 атм.
Из закона идеального газа pV= iRTмы можем определить количество газа в голодном цилиндре: 40,] • 10 6 кмоль.
 |
 |
Количество газа, находящегося в соединительной трубке между цилиндрами, будем считать пренебрежимо малым.
Раза 0 —> / (изотермическое сжатие)
 |
 |
«Холодный» поршень движется вверх до тех пор, пока объем газа в цилиндре I, не станет равным 10 4 м3 (степень сжатия г= 10). Поскольку данный цилиндр ■и. одится в непосредственном контакте с холодильником, то выделяемая при (> ни теплота немедленно отводится и, следовательно, температура рабочего тс т остается неизменной. Другими словами, сжатие происходит изотермически. Т 5емая для его осуществления энергия
В этом процессе температура остается неизменной, тогда как давление воз — Г — ает в 10 раз.
Состояние газа в точке 1 имеет следующие параметры: VC] = Kh4 v3, Тс = 300 К, = 106 Па.
Фаза 1^2 (переток газа в другой поршень, изохорный нагрев газа)
«Холодный» поршень поднимается вверх до конца, тогда как «горячий» пор — ь опускается вниз. При этом Vm = 10-4 м3 и Va = 0. Как видно, общий объем и не изменился. Находясь в горячем цилиндре, газ нагревается от источника тілотьі. Предположим, что газ нагреется до температуры 652 К. Для нагрева аданной температуры источник тепла должен передать газу некоторое ко — ество теплоты 0,^2.
‘аз. находящийся в двигателе, имеет следующие характеристики: у = 1,4 с = 20,8 кДж/(К • кмоль). Следовательно, количество теплоты, необходимое кзохорического увеличения температуры с 300 до 652 К, будет равно
2 = Gadd = ЩЛТ = |ІС,; (ТИ — Тс) = 40 ■ L0-6 ■ 20,8 ■ 103 (652 — 300) = 293 Дж.
(21)
Поскольку температура газа увеличивается при постоянном объеме, давление газа также должно возрастать. Состояние газа в точке 2: Vm = 10 4 м3, Тн= 652 I.
Р = —Ю6 =2,17- Ю6 Па. m 300
Фаза 2 —> 3 (изотермическое расширение)
Высокое давление рабочего тела действует на «горячий» поршень, опуская его вниз до тех пор, пока объем газа внутри цилиндра не станет равным 10 3 м3. Данное расширение газа в соотношении 10:1 приводит к его охлаждению, однако тепловой поток, идущий от источника тепла, поддерживает постоянную температуру рабочего тела. То есть имеет место изотермическое расширение, при котором на вал двигателя передается 500 Дж механической энергии:
Ун <
В^3 = Всхрап = VRTH In —— = 40,1 ■ 10 6 • 8314 • 652 lnlO = 500 Дж. (22)
¥«г
Мы заранее выбрали температуру «горячего» цилиндра равной 652 К только из тех условий, чтобы получить красивое целое значение совершенной работы (500 Дж). При этом источник теплоты передаст рабочему телу соответственно
Є2^3=Єехрап = 500Дж.
Характеристики газа в точке 3: Vm = 10_3 м3, Тн = 652 К, Рт = 2.17-10s Па.
Фаза 3 —> 0 (изохорное охлаждение газа)
В конечном итоге поршни возвращаются на исходные позиции. При этом общий объем газа не изменяется. Газ просто переходит из «горячего» в «холодный» цилиндр, в котором изохорически охлаждается до температуры 300 К, переходя в состояние соответствующее точке 0. Таким образом, термодинамический цикл полностью завершен. Отведенное в процессе данной фазы тепло
£3^0 = ц^АТ = 40 I0-6- 20,8 • 103 (652 — 300) = 293 Дж (23)
И В ТОЧНОСТИ соответствует Qj 2-
За один цикл коленчатый вал двигателя при расширении газа получает 500 Дж энергии от «горячего» поршня (В^з) и возвращает 230 Дж во время фазы сжатия (В^Д. Суммарная механическая энергия, которая передается двигателем внешнему потребителю, составляет 500 — 230 = 270 Дж. При этом теплота дважды подводится к рабочему телу: б1->2 и б2->з — Общее количество подведенной теплоты 793 Дж.
 |
 |
Эффективность двигателя
Эффективность цикла Карно в диапазоне температур 652 и 300 К
Эффективность рассмотренного цикла двигателя Стирлинга существенно ныне, чем эффективность соответствующего ему цикла Карно. Однако от — смтельно простые модификации данного двигателя позволяют существенно ішить ситуацию.
Подвод тепла
Ранее мы рассматривали ситуацию, когда Q-s >(| = Q2 >2. Теплота, которая отво — с во время фазы 3 -> 0, может быть регенерирована, т. е. с помощью специ — ого теплообменного аппарата часть этой теплоты может быть использована шессе 1 —> 2 В идеальном случае можно полностью заменить Ql 2 теплотой гнерации. Тогда к данному двигателю потребуется подводить за цикл только cm Q2 >3, равную 500 Дж. Таким образом, при «идеальном» процессе реге — I ии можно получить эффективность двигателя Стирлинга
видно, она равна эффективности соответствующего цикла Карно.
В двигателе Стирлинга бета-модификации используется только один ци — р (см. его схематичное изображение на рис. 3.14). Нижний поршень иной схеме называется силовым или мощностным. Он очень плотно приле-
гает к стенкам цилиндра, что весьма важно для хорошего сжатия рабочего тела. Верхний поршень называется вытеснителем, он прилегает к стенкам цилиндра не совсем плотно, с зазором и поэтому легко может перемещаться внутри цилиндра. Основной функцией вытеснителя является вытеснение рабочего тела из холодной зоны цилиндра (зона 2) в находящуюся в верхней части цилиндра горячую зону (зона 1).
Фазы этого цикла практически полностью соответствуют фазам рассмотренного выше цикла альфа-модификации. На рис. 3.14 показано, что фаза 1-2 может быть разделена на две подфазы. В первой подфазе 1-2* вытеснитель перемещается вниз и вытесняет газ из зоны 2 в зону 1. В идеальном случае во время этого процесса энергия не потребляется, поскольку считается, что газ свободно проходит через зазор между поршнем и цилиндром. В период подфазы 2*-2 происходит изохорический нагрев рабочего тела.
Основной проблемой данной модификации считается трудность осуществления регенеративного процесса, для которого требуется использовать внешнее соединение зон объемов 1 и 2, как это показано на рис. 3.13.