Читальный зал -->  Машины цикла стирлинга 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21 22 23 24 25

цессе расширения рабочего тела (водорода или геЛия). Атмосферный воздух при прохождении через большой теплообменник соприкасался с холодной головкой машины и постепенно охлаждался до температуры ожижения. Содержащаяся в воздухе влага и углекислота осаждались на пластинах вымораживателя. Образовавшиеся лед и твердую углекислоту необходимо было, удалять (при-

Рис. 8-10. Схема газовой криогенной машины, работающей по обратному циклу Стирлинга.

/ - рабочий поршень; 2 - рукав для слива жидкого воздуха; 3 - полость сжатия; 4 - холодильник; 5 - регенератор; 6 - вытеснитель; 7 - конденсатор; 8 - полость расширения.

близительно через каждые 100 ч) в процессе размораживания мащины, который занимал около 2 ч. Впоследствии в установку для ожижения воздуха была введена воздухоразделительная колонна. В этом случае на установке можно получать азот высокой чистоты с производительностью 5-6 л/ч. Наряду с воздухоразделительными колоннами были разработаны также и четырехцилиндровые варианты машин для ожижения газов с производительностью около 4000 л жидкого, азота в неделю. Эти машины в периоды между размороз-ками могут работать автономно до двух недель.

Получил распросгранеиие и другой ожижитель газов со второй, дополнительной полостью расширения. Наименьшая температура, которую можно получить на этой машине, составляет 12 К. В такой машине достигается одновременное охлаждение на двух температурных уровнях: от 12 до 40 К в холодном теплообменнике и от 50 до 80 К - в среднем. Эта машина обеспечивает основной температурный контроль системы, предназначенной для исследовательских работ при криогенных температурах, а также входит в установку фирмы Филипс , объединяющей водородно-неоновый ожижитель и реконденсатор. Применяется машина и как составная часть си-

0 50 100 150 200 50 Температура полости pacuiupeHUflTeJi

Рис. 8-12. Характеристики большой криогенной машины.

стемы для ожижения гелия, включающей расширительную установку Джоуля - Томсона.

Имеющиеся сейчас в продаже криогенные газовые машины отличаются от первоначально созданных ожижителей своими меньшими или большими размерами. Такие миниатюрные криогенные машины разработаны для охлаждения инфракрасных детекторов и других устройств электронной аппаратуры (как, например, для охлаждения сверхпроводящих материалов); они используются как крионасосы, а также для переконденсации криогенных жидкостей. Одноступенчатые машины позволяют обеспечить температуру охлаждения до 30 К, двухступенчатые - до 20 К. Сделана оценка и трехступенчатому варианту машины, в которой была достигнута температура 7 К. Были разработаны также и очень небольшие машины с общей массой около 1 кг (Даниэльс и дю Пре, 1971 г.) (Daniels, du Pre). С другой стороны, Дросом (Dros, 1965 г.) описана большая промышленного типа криогенная газовая машина (рис. 8-11). Ее характеристики приводятся на рис. 8-12. Машина представляет

особый интерес, поскольку она единственная из числа машин фирмы Филипс , выполненная не по одноцилиндровой схеме и не относящаяся к вытеснительному типу машин. Это машина - двухпоршне-вого типа с гидравлическим приводом поршней; такая компоновка обеспечила значительное увеличение производительности по сравнению с машинами вытеснительного типа. Она предназначена не для лабораторных целей, а для промышленного использования и

)аботает с высокой надежностью длительное время без ремонта.

Тредполагается, что машина найдет применение при ожижении и переконденсации природного газа, выкипающего из больших резервуаров, и в морских транспортах.

Кёллер и его коллеги подчеркивают важную роль регенератора для криогенных газовых машин. Значимость регенератора для низкотемпературных машин намного выше, чем для двигателей. Кёллер отмечает, что снижение эффективности регенератора на 1 % приводит к 21% потерь идеальной холодопроизводительности при температуре расширения 75 К*, которые возрастают до 98% при температуре расширения 20 К**. .

В процессе работы над большими промышленного типа криогенными установками фирмой Филипс была разработана машина с ромбическим приводом. Позднее от нее пришлось отказаться в пользу двухпоршневой гидравлической машины Дроса, описание которой было дано выше. Производство машин с ромбическим приводом было продолжено компанией Веркспур (Werkspoor), и некоторое количество таких машин было продано в конце 60-х годов акционерным обществом С. V. I.

8-4. лицензии фирмы филипс

В 1958 г. фирма Дженерал моторе приобрела лицензии фирмы Филипс и проводила различные исследования и разработки вплоть до 1970 г. [Хефнер, 1965 г.). Паст и Уайтакер (Paste, Whitaker, 1961 г.), Агарвал, Муни и Топел (Agarwal, Моопеу, Toepel, 1969 г.), Лайниш и Вад (Lienesch, Wade, 1969 г.). Позднее лицензии приобрели: группа по изучению двигателя Стирлинга МАН-МВМ, Штутгарт, 1967 г., фирма Юнайтед Стирлинг АВ в Мальме (Швеция, 1968 г.) и фирма Форд мотор компани (Детройт, 1972 г.) (Ford Motor Company).

Все эти лицензии относятся к двигателям. Насколько известно, специальных лицензий по криогенным газовым машинам нет. Изготовлением и распространением этих машин занимается сама фирма Филипс .

* Температура кипения жидкого воздуха. (Прим. перев.) ** Температура кипения жидкого водорода. (Прим. перев.)

Г-ЛДбД девятая

ПРИМЕНЕНИЕ МАШИН, РАБОТАЮЩИХ ПО ЦИКЛУ СТИРЛИНГА

Для определения потенциальных возможностей машин Стирлинга необходимо рассмотреть их достоинства и недостатки.

9-1. достоинства

К положительным сторонам двигателей Стирлинга могут быть отнесены следующие: двигатели Стирлинга работают без шума и вибраций; при сжигании любого вида топлива степень загрязнения окружающей среды низка; в двигателях возможно использование теплоты, подводимой от любого источника, включая аккумулированную тепловую энергию от периодически действующего электрического (или использующего сжигание топлива) источника питания, а также концентраторы солнечной энергии, радиоизотопные или ядерные источники теплоты. При усовершенствовании двигатели могут иметь большую, чем бензиновые двигатели внутреннего сгорания, удельную мощность, а также быть сравнимы по экономичности в режиме частичной нагрузки с дизельными двигателями. Двигатели Стирлинга имеют больший эффективный к. п. д., чем любой другой преобразователь тепловой энергии. При частичной нагрузке у них очень хорошие характеристики крутящего момента, а равномерность крутящего момента за цикл более высокая, чем у любого другого поршневого двигателя, за исключением, возможно, паровой машины двойного действия. Продукты сгорания топлива не контактируют с движущимися частями, обеспечивая минимальный износ и, следовательно, большой ресурс работы и легкость в эксплуатации. В процессе эксплуатации потребление смазочных материалов (дорогостоящих продуктов) может быть практически исключено, а их замена потребуется лишь через очень большой промежуток времени.

Двигатели Стирлинга имеют множество разновидностей; некоторые из них чрезвычайно просты; диапазон их мощности простирается от нескольких долей ватта (в одноцилиндровых двигателях в детских игрушках) до двигателей, по-видимому, неограниченных размеров с мощностью в тысячи лошадиных сил в одном цилиндре. Они могут быть использованы в качестве приводных двигателей криогенных газовых машин или тепловых насосов. Как криогенные газовые машины они являются лучшими с точки зрения габаритов и характеристик, чем любые другие системы открытого цикла.

9-2. недостатки

Основными недостатками машин Стирлинга являются их сложность и высокая стоимость усовершенствованных вариантов. Более простые варианты двигателей дешевле, но имеют меньшие, чем

у двигателей внутреннего сгорания, эффективный к. п. д. и удельную мощность. Сейчас представляется маловероятным, чтобы удельная стоимость усовершенствованных двигателей Стирлинга (цена на единицу мощности) снизилась до значений, характерных для дизельных двигателей, даже при условии снижения цен, зависящих от количества выпускаемой продукции. Разработка двигателей Стирлинга с высокими эффективным к. п. д. и удельной мощностью сталкивается с серьезными проблемами по теплообмену и технологии изготовления уплотнений с точки зрения как материалов, так и конструкции. Ниже в данной главе будут кратко рассмотрены основные трудности, встречающиеся при разработке этих машин.

Нагревание. Высокотемпературные теплообменники являются, возможно, основной проблемой для двигателя. Отдельные элементы такого теплообменника должны постоянно работать при максимальной температуре цикла, и для обеспечения высокого значения эффективного к. п. д. должны быть созданы высокотемпературные сплавы или керамические материалы. В то же время внутренний свободный объем, составляющий часть мертвого объема машины, должен быть минимальным. При малом рабочем объеме поверхность теплообмена также мала и вследствие этого плотность тепловых потоков очень велика. Одним из способов разрешения этой проблемы является использование тепловых труб (см. гл. 8), работающих по принципу теплового трансформатора. Для достижения высокой удельной мощности двигатель должен работать при высоком давлении рабочего тела, используя для этой цели водород или гелий, а не воздух. Однако при высоких температурах и давлениях большинство конструкционных материалов до некоторой степени проницаемо для этих газов. Таким образом, в высокотемпературных теплообменниках имеются отдельные узлы, постоянно работающие в условиях температур, близких к предельным по конструкционной прочности материалов, а также при циклически изменяющемся высоком давлении и пульсирующем потоке водорода или гелия.

Эта проблема охватывает новые области в технологии материалов, изготовления и сборки, а также тесно связанные сними вопросы по теплообмену и гидравлике конструкции.

Основной высокотемпературный теплообменник (нагреватель) включает также и вспомогательный для предварительного подогрева поступающего воздуха продуктами сгорания топлива; это является очень важным и необходимым процессом, уменьшающим тепловые потери с выхлопными газами для достижения высокого эффективного к. п. д. двигателя. Процесс подогрева должен осуществляться в основном при атмосферном давлении, так что плотность поступающего воздуха и выхлопных газов относительно низка. Поэтому для достижения требующейся высокой эффективности подогревателя воздуха необходимо иметь значительную площадь поверхности теплообмена.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21 22 23 24 25

ООО «Мягкий Дом» - это Отечественный производитель мебели. Наша профильная продукция - это диваны еврокнижка. Каждый диван можем изготовить в соответствии с Вашими пожеланияи (размер, ткань и материал). Осуществляем бесплатную доставку и сборку.



Звоните! Ежедневно!
 (926)274-88-54 
Продажа и изготовление мебели.

Копирование контента сайта запрещено.
Авторские права защищаются адвокатской коллегией г. Москвы.