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

лость расширения - над вытеснителем. Длинная узкая кольцевая щель между цилиндром и вытеснителем выполняет функцию регенератора между горячей полостью расширения и холодной полостью сжатия. Для полости расширения предусмотрен нагреватель, а для полости сжатия - холодильник.

Рассмотрим систему, показанную на рис. 10-1, находящуюся вначале в положении 0. Давление во всех полостях одинаковое, а температура везде равна температуре окружающей среды. Пусть теперь полость расширения нагревается. С ростом температуры давление рабочего тела в замкнутом рабочем объеме увеличивается от положения О до положения 1. Возрастание давления в рабочей полости до определенного значения приведет к перемещению вниз рабочего поршня и вытеснителя. Сила, действующая на рабочий поршень, равна {Pw - Pb){c-r) *, а сила, действующая на вытеснитель,- Ац (р-р ). Ускорение рабочего поршня при движении вниз определяется как

р = iPw-Pb) {Ас~А,)/Мр, а ускорение вытеснителя

Если отношение МрШ велико (т. е. 10 : 1) и если отношение AilAo значительно (т. е. 1 : 4), то а0> йр. Поэтому вытеснитель ускоряется быстрее; это приводит к тому, что рабочее тело вытесняется из холодной полости сжатия в горячую полость расширения. Этот процесс ускоряется как ростом давления в рабочей полости по сравнению с давлением в буферной полости (принимаемым постоян-йым), так и дальнейшим возрастанием ускорений обоих поршней. В итоге рабочий поршень и вытеснитель соприкасаются (положение 2), и с этого момента начинают двигаться вместе. После соприкосновения поршней поток рабочего тела больше не поступает в полость расширения, но поскольку процесс расширения продолжается, давление начинает падать. В положении 3 давление р все еще больше, чем давление р; поэтому рабочий поршень и вытеснитель продолжают ускоряться.

Расширение продолжается до точки 4, где давления рабочего тела и буферной полости р;, равны. Инерции тяжелого поршня достаточно для продолжения процесса расширения рабочего тела и за точкой равновесия давлений; поэтому давление в рабочей полости падает ниже давления в буферной полости р; таким образом, на рабочий поршень и вытеснитель начинают действовать замедляющие силы (возникающие из-за разности давлений). Вытеснитель, будучи более легким, первым реагирует на это. Замедляющие силы тормозят движение вытеснителя вниз, что приводит к отделению его

* Ас и Aj - площади поперечных сечений соответственно рабочего поршня и штока вытеснителя; Мр я Мо - массы рабочего поршня и вытеснителя. {Прим. перев.)

от рабочего поршня, продолжающего двигаться вниз. В этот момент рабочее тело начинает перетекать по регенеративному кольцевому каналу из-горячей полости расширения в холодную полость сжатия. Это вызывает резкое падение давления в рабочей полости, и между полостями устанавливается большая разность давлений Pb~Pw-Вытеснитель быстро устремляется вверх к головке цилиндра (точка 6) и остается в этом положении до тех пор, пока давление в буферной полости будет выше давления в рабочей полости.

В некоторый момент рабочий поршень останавливается и начинает подниматься вверх (точка 7) под действием превосходящего давления в буферной полости. Поскольку процесс сжатия все еще продолжается, равенство давлений мгновенно восстанавливается (точка 8), а затем давление в рабочей полости будет превышать давление в буферной полости. При таком положении вытеснитель начинает двигаться вниз до соприкосновения с рабочим поршнем в точке 9, и далее цикл вновь повторяется, но без начальной стадии 0-4.

Схема р, F-диаграммы для всей системы показана на рис. 10-1. На практике за один рабочий цикл двигатель не выходит на установившийся режим в отличие от описанного выше.

Применение двигателей Била. Двигатель Била может быть источником мощности при соединении колеблющегося рабочего поршня с нагрузкой. На рис. 10-2 показан один из вариантов двигателя Била, работающий как газовый компрессор. Поршень и цилиндр компрессора расположены коаксиально относительно рабочего поршня

Рис. 10-2. Двигатель Стирлинга сво-боднопоршневого типа (Била), работающий как воздушный компрессор.

/ - цилиндр; 2 - горячая полость (расширения); 3 - вытеснитель; 4 - теплозащитный экран на эпоксидной смоле; 5 - кольцевой регенератор; 6 - воздушный насос и водяная рубашка охлаждения: 7 - выход холодной воды: 8 - холодная полость (сжатия); 9 - шток вытеснителя; 10 - выход воздуха: - рабочий поршень; 12 - болты крепления; 13 - цилиндр из оргстекла; 14 - основание; 15 - распорная втулка; 16 - шток вытеснителя; .17 - уплотнительное кольцо; IS - створчатый клапан; 19 - уплотнение из материала RULON; 20 - вход холодной воды.

и цилиндра двигателя. Эгби (Agbi, 1971 г.) проводил систематические исследования двигателя такого типа. Характерный вид перемещений рабочего поршня и вытеснителя, периодическое изменение давления, а также общая р, V-диаграмма двигателя приведены на рис. 10-3.

В другом варианте, показанном на рис. 10-4, двигатель Била может быть сконструирован таким образом, что легкий корпус цилиндра и легкий вытеснитель сочетаются с очень тяжелым поршнем. Для обеспечения контролируемого движения цилиндра он помещен в направляющей втулке. В такой конструкции колеблются цилиндр и вытеснитель, а поршень остается неподвижным. Нижний торец цилиндра может быть подсоединен к плунжеру гидравлического насоса, а к верхнему торцу подводится теплота от продуктов сгорания топлива или от солнечного концентратора. С такой конструкцией двигателя, работающего от солнечной энергии, проф. Бил добился очень эффективной работы водяного насоса.

Объем

Вытеснитель

Рабочий порихень

Время

Время

Рис. 10-3. Характеристики двигателя Стирлинга свобоДнопоршневого типа (Била), работающего как воздушный компрессор (по данным Эгби, 1971 г.).

Рнс. 10-4. Схема свобоДнопоршневого двигателя Стирлинга, работающего на солнечной энергии, для привода водяного насоса.

/ - концентратор солнечных лучей; 2 - полость расширения; 3 - вытеснитель; 4 - кольцевой регенератор; 5 - теплообменник охлаждения змеевикового типа; 6 - полость сжатия; 7 - рабочий поршень; 8 - направляющая втулка; 9 - буферная полость; 10 - цилиндр; - плунжер иасоса; 12 - створчато-клапан-ный насос.

Другие возможности использования двигателя предусматривают либо магнит и генераторную обмотку для получения от системы электроэнергии, либо сдвоенную конструкцию установки, в которой свободнопоршневой двигатель является приводом холодильной машины со свободным поршнем, так что простая труба, нагретая на одном конце, становится холодной на другом. Для бытовых и промышленных печей, работающих на жидком топливе или природном газе, зачастую требуются маломощные источники электроэнергии для привода вентиляторов или водяных насосов. При прекращении подачи электроэнергии порой возникает ряд трудностей, несмотря на то, что газ или мазут (дающие 99,9% энергии) пока недефицитны. Поэтому для замены электродвигателей для Т9КИХ случаев имеется потребность в приводных системах, работающих от внешнего подвода теплоты. Обычные режимы сжигания топлива отвечают требованиям работы таких приводов. Здесь важно отметить, что термодинамический к. п. д. не имеет значения, так как топливо сжигается главным образом для обеспечения нагревания. В этом случае начальная стоимость, надежность и способность к самостоятельному запуску являются важными критериями. По-видимому, рассмотренные случаи - идеальные области применения двигателей Била.

10-2. гибридный двигатель со свободным вытеснителем и кривошипно-шатунным приводом рабочего поршня

- Исследования свободнопоршневых двигателей Била стимулировали изобретение в университете Калгари гибридной машины со свободным вытеснителем и кривошипно-шатунным приводом рабочего поршня. Свободнопоршневые двигатели заманчивы своей простотой. Однако если они не предназначены для работы в качестве насосов Или компрессоров, то затруднительно использовать энергию возвратно-поступательного движения его отдельных элементов, поскольку многие агрегаты приводятся в действие вращающимися валами.

Гибридная машина является попыткой объединить достоинства простой конструкции свобоДнопоршневого двигателя с распространенностью и большой применяемостью цилиндропоршневого блока и кривошипно-шатунного узла. Одна из привлекательных сторон гибридной машины заключается в том, что ее нижняя часть - рабочий поршень, цилиндр и кривошипно-шатунный механизм могут быть обычными узлами двигателей внутреннего сгорания. Имеющийся производственный опыт, сборочные приспособления и инструменты, а также различная арматура обычных двигателей внутреннего сгорания могут быть использованы и для гибридной машины, позволяя тем самым снизить стоимость двигателей Стирлинга до уровня, почти сравнимого со стоимостью других поршневых машин.

Схема поперечного сечения гибридного одноцилиндрового двигателя показана на рис. 10-5. Картер, коленчатый вал, шатун, цилиндр и рабочий поршень (часть двигателя ниже линии Х-Х) могут быть обычными узлами двигателей внутреннего сгорания, работающих на газообразном или жидком топливе. Для постановки газонепроницаемого уплотнения рабочий поршень изменен;

он имеет удлиненный вертикальный стержень, являющийся в своей верхней части пустотелым штоком вытеснителя, на котором находится фиктивный поршень. Полость между фиктивным и рабочим порш-

Рис. 10-5. Гибридный двигатель Стирлинга со свободным вытеснителем и кривошипно-шатун-ным приводом рабочего поршня

/ - полость расширение; 2 - вытеснитель; 3 ~ теплозащитный экран; 4 - Уплотнение вытеснителя; J ~ полость сжатия; б - -фи.тивный поршень; 7 - уплотнение поршня; 8 - буферная полость.

Рис. 10-6. Прототип гибридного двигателя с использованием картера от серийно выпускаемого двигателя фирмы Хонда .

ними соединена с внутренним объемом вытеснителя и вместе с ним составляет буферную полость. Рабочий объем - это объем в цилиндре выше фиктивного поршня; он подразделен (вытесни-

Эта машина динамически подобна свободнопоршневому двигателю и Дает возможность отводить полезную работу двигателя на вращающийся вал.

телем) на полость сжатия (ниже вытеснителя) и полость расширения (над вытеснителем).

Двигатель работает точно так же, как и описанный выше сво-боднопоршневой двигатель Била. Легкий вытеснитель быстро реагирует на перепад давления между буферной и рабочей полостями. Рабочий поршень, коленчатый вал, маховик и шатун скомбинированы так, чтобы создать динамический эквивалент тяжелого поршня с большой инерцией, характерный для двигателя Била.

На рис. 10-6 показан опытный вариант гибридного двигателя, сконструированного в университете Калгари, в котором был использован обычный картер от серийно выпускаемого одноцилиндрового двигателя фирмы Хонда (Honda). Этот двигатель был куплен за 97 долл. в 1970 г., и, по крайней мере, половина его узлов была

Рис. 10-7. Схема гибридного двигателя Стирлинга, выполненная по типу обычных V-образных двигателей.

/ - камера сгорания; 2 - тепловая труба с жидкометаллическнм теплоносителем; 3 - тепловая изоляция: 4 - полость расширения; 5 - свободно движущийся вытеснитель; 6 - полость сжатия; 7 - поршень; 8 - система охлаждения; 9 - буферная полость.

заменена с целью приспособить его для работы в качестве преобразователя. До сих пор гибридный двигатель с электроподогревом не показал удовлетворительной работы из-за того, что после нескольких оборотов нарушается фазовое смещение поршней. Двигатель не имеет предпочтительного направления вращения и работает одинаково хорошо (или, возможно, плохо) при любом направлении вращения. Кроме того, на ранней стадии разработки двигатель имел неудовлетворительные характеристики при останове в одном направлении и повторном пуске в другом. Ожидается, что все эти проблемы по мере понимания работы двигателя будут разрешаться.

Общий вид возможного варианта гибридного двигателя показан на рис. 10-7, где дано поперечное сечение обычного двигателя внутреннего сгорания, выполненного по схеме V8 и переделанного в гибридный двигатель. В схеме предусмотрена общая камера сгорания (по типу камер авиационных двигателей), соединяемая с каждым из цилиндров тепловыми трубами с жидкометаллическнм теплоносителем. Буферные полости всех цилиндров объединены

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.