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

в будущих аппаратах искусственного сердца как механизм, преобразующий тепловую энергию изотопного топлива в механическую работу. .

Искусственное сердце может быть спроектировано так, чтобы использовать электрическую сеть (или блок аккумуляторов) для питания электродвигателя, служащего приводом кровяного насоса. В настоящее время это невозможно, поскольку нет способов передачи электроэнергии через кожу. Кроме того, необходимость привязывания к розетке или к блоку тяжелых аккумуляторных батарей может накладывать неприемлемые ограничения на подвижность пациента. Решением вопроса является полностью имплантированный в тело пациента механизм с запасом изотопного топ- лива, обеспечивающего достаточный ресурс работы (от 3 до 5 лет). Такое механическое устройство должно иметь блок, преобразующий теплоту, выделяемую изотопом, в механическую работу, используемую для привода насоса при перекачивании крови. В качестве механического преобразователя теплоты может быть применен двигатель Стирлинга.

Идея полностью имплантированного искусственного сердца имеет много привлекательных свойств. В этом случае можно будет избежать этических проблем сегодняшнего дня, связанных с пересадкой сердца от человека к человеку, а выбор легкодоступных механических устройств позволит хирургу действовать по своему усмотрению. Однако главной проблемой является то, что нет никакой альтернативы изотопному топливу. Существует много радиоактивных изотопов, но немногие из них могут быть пригодными для аппарата искусственное сердце .

Выбор должен ограничиваться изотопами, излучающими сж-час-тицыи требующими минимальной биологической защиты. Другие изотопы, излучающие р-частицы и тем более у-частнцы, требуют очень тяжелой защиты. К сожалению, сж-изотопы редки и дороги, и в настоящее время не существует достаточного их запаса. Даже если предположить, что будут предприняты специальные усилия по производству подходящих а-изотопов, то маловероятно, что цена может быть снижена до уровня, доступного разумному количеству людей. Другая трудность связана с возможностью неожиданной смерти реципиента. Смерть от пожара может настигнуть его в гостинице, автомобиле, он может умереть естественной смертью и быть кремирован до извлечения изотопа. В любом из этих случаев радиоактивные пары выделяются в атмосферу. Использование теплозащиты, достаточной, чтобы выдержать кремацию, может привести лишь к практической непригодности радиоизотопного искусственного сердца.

Несмотря на все эти факторы. Национальный институт сердца США финансировал исследовательские работы в этой области. Программа исследований была многомасштабной и отражала многие аспекты перспективной техники преобразования энергии и технологии материалов. Программа включала два независимых направле-

ний по еошнию двигателей Стирлинга, о которых сообщалось Баком (Buck, 1968 г.) и Мартином (1968 г.). Согласно ранее введенному определению ни один из этих двигателей не является фактически машиной Стирлинга. Скорее это двигатели Эриксона вытеснительного типа с постоянным рабочим объемом и газовыми клапанами. Принципиальное различие этих двигателей состоит в том, что двигатель Бака имеет отдельный неподвижный регенератор, а двигатель Мартини - регенеративный вытеснитель. Работа искусственного сердца с атомным источником питания была описана Хармисоном и др. (Harmison et al, 1972 г.), включая и эксперимент по пересадке такого устройства теленку, который был совершенно здоров и не стеснен в движении после пересадки.

Преобразование тепловой энергии в механическую с 1 3 s 5 7 2 f. 6, 9.. 10 абсолютной надежностью и приемлемой эффективностью является, возможно, реальным делом и сводится к инженерным проблемам создания искусственного сердца и с любой точки зрения радиоизотопный двигатель Стирлинга представляется сильным конкурентом для других преобразователей энергии. Один из возможных подходов к решению этой задачи схематически продемонстрирован на рис. 9-6. В этом устройстве модифицированный свободно-поршневой двигатель Стирлинга типа двигателя Била работает как простой гидравлический насос плунжерного типа. Радиоизотопный топливный блок, окружающий вытеснитель, соединен с тяжелым рабочим поршнем, образуя кольцеобразный пористый теплообменник с внутренним тепловыделением. Вытеснитель и корпус по сравнению с рабочим поршнем и изотопным нагревателем относительно легкие. При работе поршень практически неподвижен, а внешний корпус и вытеснитель периодически колеблются, обеспечивая необходимые изменения объемов полостей расширения и сжатия. Для получения приемлемого значения удельной мощности частота их колебаний должна быть относительно высокой (возможно ЮСЮ циклов/мин).

Внешний корпус является плунжером гидравлического насоса. При таком оригинальном решении внешние уплотнения не требуются. Двигатель может быть заполнен газом и герметически уплотнен при изготовлении. Любой газообразный изотоп радона, образующийся при распаде, также будет оставаться внутри корпуса. Вся конструкция устанавливается на направляющих и изо-

Рис. 9-6. Схема свобоДнопоршневого двигателя Стирлинга, разработанного Билом, выполняющего роль насоса в аппарате искусственное сердце .

1 - полость расширения; 2 - полость сжатия; 3 - вытеснитель; 4 - рабочий поршень; 5 - регенеративный кольцевой канал: 6 - пористая изотропная матрица; 7 - тепловая изоляция и радиационная защита; 8 - бай-пасиая система охлаждения; 9 - корпус цилиндра, являющийся плунжером насоса; 10 - высокое давление в магистрали физиологического раствора.

лируетсй, Как показано на рис. 9-6. Плунжерный насос йрокачй-вает соответствующую жидкость, возможно, физиологический раствор, которую можно использовать и для охлаждения. Физиологический раствор, выходя из высокочастотного насоса с приводом от двигателя при относительно высоком давлении, поступает в насос низкого давления для крови с гидравлическим приводом. Это должна быть компаундная машина низкой частоты с гибкой диафрагмой для перекачивания потока крови.

Проведенные исследования этой схемы недостаточны для установления технических возможностей в вопросах надежности, эффективности и обеспечения длительного ресурса работы. Невозможно сделать на этой стадии важные оценки габаритов, массы и других параметров системы. Можно отметить следующие, положительные стороны двигателя Била для рассматриваемого случая применения:

1) двигатель самозапускающийся, что уникально для одноцилиндровой машины;

2) двигатель про ст по конструкции, управлению и не требует смазки подшипников;

3) двигатель может обходиться без уплотнений для газа;

4) двигатель может работать в любом положении, так что реципиент при желании может лежать, стоять или сидеть.

9-3-10. Привод электрогенераторов в ядерных энергетических установках

Идея использования очень больших двигателей Стирлинга, возможно, типа Рини, как преобразователей тепловой энергии на базовых атомных электростанциях мощностью в несколько мегаватт была рассмотрена в общих чертах Брэдли (Bradley), сотрудником ядерных лабораторий Чок Ривер Управления по атомной энергии КаНады (Atomic Energy Authority of Canada, Chalk River Nuclear Laboratories). Брэдли предлагает объединить канал охлаждения реактора с нагревателем двигателя, в котором рабочее тело двигателя - гелий, находящийся при высоком давлении, был бы одновременно и основным хладагентом реактора. Преимущество такой системы ясно видно из сравнения с другими газоохлаждае-мыми реакторами и вторичными пароперегревателями. Двигатель Стирлинга более прост, менее дорог, а поэтому не требуется отдельных насосов или компрессоров для основного хладагента реактора. Нерабочий объем двигателя должен быть минимальным, что приводит к отказу от соединительных труб, магистралей подвода и т. д. Реактор в этом случае должен быть неотъемлемой частью двигателя.

Наиболее полное описание функций и работы сердца приведено в книге: Longmore D. The Heart. World University Library, Weindenfeld and Nicol-son (1971), London.

Идея двигателя Стирлинга с реакторным источником теплоты, по-видимому, представляется заманчивой. Другой идеей, обладающей большей гибкостью, является использование модифицированного двигателя Стирлинга с клапанами, т. е., по сути дела, двигателя Эриксона, у которого, однако, меньшие возможности к ограничению нерабочего объема по сравнению с двигателем Стирлинга.

9-3-11. Универсальные энергетические системы

Универсальные энергетические системы представляют собой механические агрегаты, которые, будучи снабжены топливом, воздухом и водой, могут обеспечить все энергетические потребности, включая кондиционирование воздуха, выработку электроэнергии, получение горячей и холодной воды. Для таких установок, применяемых в служебных помещениях, мотелях, гостиницах, жилых домах, складах и крупных торговых центрах, обычно требуется первичный двигатель мощностью 37-370 кВт (50-500 л. с).

Разработка универсальных систем активно поощрялась в США в 60-е годы как часть усилий, направленных на покрытие коммерческих и бытовых потребностей в газе в летние месяцы с целью выравнивания графика его потребления в течение всего года. В США кондиционирование воздуха (под этим подразумевается охлаждение и получение необходимой влажности воздуха) является социальным благом такой же важности, как и отопление. Газ хорошо подходит для целей отопления, но меньше для охлаждения. Были предприняты серьезные попытки с целью улучшения характеристик или уменьшения стоимости абсорбционных холодильных систем с газовым теплопоглощением, но они оказались до срх пор безуспешными.

Ряд универсальных энергетических систем уже действует. В большинстве из них используется либо газообразное, либо жидкое топливо, а для преобразования выделившейся при сгорании части химической энергии в механическую применяется двигатель какого-либо типа. Механическая энергия расходуется для привода электрогенератора и компрессора парокомпрессионного рефрижератора. Электроэнергия для целей освещения может быть получена с высокой частотой электрического тока (400 Гц), а для силового электрооборудования, работы грузоподъемных машин, кухонного оборудования и рефрижераторов - с относительно высоким напряжением. Отводимая с выхлопными газами от двигателя теплота может быть использована для отопления зданий, получения пара низкого давления, для кухонь и прачечных, горячего водоснабжения для обычных целей, а также как источник теплоты в холодильной установке абсорбционного цикла, которая охлаждает воду или соляной рассол для кондиционера воздуха.

Необходимо отметить, что создание универсальных установок довольно заманчивая идея. Их работа не зависит от подводимой извне электроэнергии, и в них существуют определенные перспективы эффективного использования различных видов энергии. К сожалению, есть и много практических недостатков; система в целом

дорога, надежность пока еще неудовлетворительна, а эксплуатационные расходы могут стать высокими. В некоторых больших городах США подача природного газа уже не является неограниченной и требуются необходимые запасы мазута на случай прекращения подачи газа. Это обстоятельство увеличивает стоимость системы и требует от двигателя способности работать на обоих видах топлива. Другая проблема заключается в том, что при работе трудно подобрать одновременно электрическую нагрузку для графика нагревания и охлаждения; вследствие этого, если только не предусмотрен большой аккумулятор низкопотенциальной энергии, не достигается эффективного использования энергии. В настоящее время маловероятно, что различные фирмы, производящие двигатели, электроприводы, теплообменники, использующие теплоту выхлопных газов, и рефрижераторные установки, скоординируют свои усилия для создания малогабаритной системы. Универсальные энергетические системы стремятся создавать из отдельных, уже готовых, но не особенно хорошо подходящих для этих целей агрегатов. Поэтому стоимость системы высокая, а результаты не совсем удовлетворительные. До тех пор, пока все усилия не будут направлены на производство надежной, хорошо скомпонованной в едином блоке системы с приемлемой стоимостью, в ней возможны лишь небольшие усовершенствования.

В настоящее время в универсальных энергетических системах используются газотурбинные или поршневые двигатели внутреннего сгорания. Газовые турбины отличаются хорошей надежностью, но i имеют очень низкую эффективность, особенно при частичной на; грузке. Поршневые газовые двигатели имеют лучшие характеристики, но недостаточно надежны, а поэтому велики их эксплуатационные расходы. Ввиду этого может оказаться, что бесшумные, эффективные двигатели Стирлинга, способные работать на различных видах топлива, найдут непосредственное применение в универсальных энергетических системах. Возможно, что потребность в охлаждении будет удовлетворена холодильной машиной Стирлинга с приводом от двигателя, и вероятно также, что установка может состоять из многоцилиндровой машины, работающей в зависимости от местных условий в режиме либо двигателя, либо холодильной машины. Также может быть предусмотрен и единый электромеханический блок, позволяющий в зависимости от требований выполнять роль электрогенератора с подводом тепла или холодильной машины с электроприводом.

Однако к вопросу о применении универсальных энергетических систем должен быть более осторожный подход. По более поздним представлениям такие системы малооправданны в высокоразвитых странах, где имеются дешевые и надежные источники электроэнергии, но они, вероятно, могут быть использованы в менее обжитых районах, таких, как отдаленные мотели, охотничьи и лыжные базы, полярные исследовательские станции и нефтедобывающие установки в пустыне.

глава десятая НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

10-1. свободнопоршневые двигатели била

Большие перспективы применения имеют свободнопоршневые двигатели, изобретенные профессором Билом из университета штата Огайо. Эти двигатели самозапускающиеся, с необычными характеристиками, отличающимися от характеристик одноцилиндровых двигателей с кривошипно-шатун-

	Время
объем

ным механизмом; кроме того, отдельные варианты двигателей могут быть изготовлены без всяких уплотнений для газа. В последнем случае заполнение рабочим телом под давлением и герметизацию двигателей можно производить при их изготовлении, что обеспечит относительно высокую удельную мощность и предотвратит возможное загрязнение движущихся узлов от внешней пыли. В таком исполнении двигатели могут быть применимы для тех случаев, когда их обслуживание является проблемой, т. е. в малоразвитых в техническом отношении странах, в военных целях и для бытовых нужд.

Двигатели Била могут работать в любом положении - в вертикальном, горизонтальном, наклонном или перевернутом. Их конструкция очень проста: в них нет ни пружин, ни клапанов, ни каких-либо других механически действующих узлов.

Принцип действия. В двигателе Била имеются три основных элемента: тяжелый рабочий поршень, легкий вытеснитель и цилиндр с уплотнениями на обоих концах (рис. 10-1). Как видно из рисунка, шток вытеснителя относительно большого диаметра проходит через рабочий поршень. Шток вытеснителя полый, с открытым торцом, так что внутренняя полость вытеснителя соединена (и фактически является ее частью) с полостью, расположенной ниже рабочего поршня, называемой буферной полостью. К рабочей полости относится часть-цилиндра над рабочим поршнем, подразделяемая на полость сжатия - между рабочим поршнем и вытеснителем и по-

5 Заказ № 1035 1 21

Рис. 10-1. Основные составные части свобоДнопоршневого двигателя Стирлинга (двигатель Била).

/ - вытеснитель; 2 - рабочий поршень; 3 - Шток вытеснителя; 4-полость расширения; 5 - кольцевой регенератор; s - полость сжатия; 7 - буферная полость; Pjj, - давление в рабочей полости; Pj - давление в буферной полости (предполагается постоянным).

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.