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

расширения (площадь 4-3-5-6) в холодильной машине меньше работы сжатия, и для реализации данного цикла необходима энергия, подводимая от внешнего источника, эквивалентная площади 1-2-3-4. При переходе из полости сжатия в полость расширения в процессе 2-3 температура рабочего тела уменьшается, а в процессе 4-1 соответственно увеличивается.

Эффективность работы холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом, равным отношению отводимой теплоты к работе, затраченной на цикл, или

Тмин - Tq

При одних и тех же температурных условиях холодильный коэффициент циклов Стирлинга, Эриксона и Карно один и тот же, а холодопроизводительность циклов Стирлинга и Эриксона при заданных давлении и объеме намного выше, чем для цикла Карно.

2-8. тепловой насос с циклом стирлинга

Тепловой насос работает по такому же циклу Стирлинга, как и описанная выше холодильная машина; в обоих машинах температура полости расширения Тхл меньше, чем температура полости сжатия Тии. Различие в работе Теплового насоса и холодильной машины в том, что температуры Т и Т нн в тепловом насосе более высокие. Для двигателя и холодильной машины Т - температура окружающей среды, в качестве которой обычно используется вода, тогда как для теплового насоса Тмни-температура, при которой из системы отводится теплота; эта теплота является полезной и может использоваться для обогрева зданий. Поэтому для теплового насоса значение Т выше температуры окружающей среды, а подвод теплоты в цикле происходит при температуре Тол от атмосферного воздуха или от обычной воды.

Сравнение цикла Стирлинга для теплового насоса и холодильной машины приведено на рис. 2-7. В обоих случаях требуется затрата работы от внещнего источника, что эквивалентно площади 1-2-3-4. Для теплового насоса полезной является отводимая при температуре Тмин теплота; следовательно, коэффициент, характеризующий эффективность теплового насоса, выразится как отношение отводимой теплоты к работе, подводимой в цикле , или

1 В отечественной технической литературе для определения эффективности теплового насоса используется термин отопительный коэффициент . {Прим. перев.)

Рис. 2-7. Цикл Стирлинга для холодильной машины (а) и теплового насоса (б).

При работе теплового иасоса или холодильной машины процесс расширения происходит при температуре меньшей, ем процесс сжатия; в этом случае требуется затрата виешией работы. В тепловом иасосе процесс расширения осуществляется при атмосферной температуре, а теплота, отводимая в процессе сжатия при высокой температуре, является полезной теплотой за цикл.

3Щ S

2 1-

3 Ч

Этот коэффициент - обратный термическому к. п. д. двигателя, в то время как коэффициент, характеризующий эффективность холодильной машины, определяемый как

не является таковым.

2-9. генератор давления с циклом стирлинга

Предполагается, что исследуемые в настоящее время подобные системы, целью которых является повышение давления и перекачивание жидкости, работают по циклу, близкому к циклу Стирлинга. Системы, где перёкачиваемые жидкость или газ отделены диафрагмой от рабочего тела цикла Стирлинга, могут быть отнесены к двигателям Стирлинга. В других случаях само рабочее тело подвержено сжатию и перекачиванию с помощью нагнетательных клапанов или других подобных устройств; такие системы по принятым во введении к книге определениям не могут быть отнесены к машинам, работающим по циклу Стирлинга. Тем не менее в литературе они рассматриваются как таковые.

В большинстве случаев при понижении давления в цикл вводится дополнительное количество рабочего тела; при повышении давления часть рабочего тела удаляется. Подвод теплоты происходит при высокой температуре, а его отвод - при низкой. Работа расширения больше работы сжатия на значение, эквивалентное работе по перекачиванию жидкости.

2-10. выводы

Как правило, в прикладной термодинамике подчеркивается особенность цикла Карно как некоей идеализированной системы, не имеющей практического применения, но обладающей наивысшей

термической эффективностью. В сущности не уяснено, что имеется бесконечное число термодинамических циклов с такой же максимальной термической эффективностью. Все эти циклы должны иметь различные регенеративные процессы теплообмена и изотермические процессы подвода и отвода теплоты. Цикл Карно отличается от них тем, что в нем используются изоэнтропические, а не регенеративные процессы теплообмена. К двум другим особым циклам относятся циклы Стирлинга и Эриксона, в которых регенеративные процессы происходят соответственно при постоянных объеме и давлении. Конечно, можно найти бесконечное множество и , других подобных циклов с регенеративными процессами, происходящими не только при постоянных давлении, объеме, энтропии, но эти циклы не имеют собственных названий.

Возможность создания машины, работающей по циклу Стирлинга, является не менее отдаленной, чем возможность создания машины с циклом Карно. Машины, называемые в настоящее время двигателями Стирлинга, в действительности не работают по циклу Стирлинга. Различиям между идеальным и действительным циклом двигателей посвящена следующая глава книги.

глава третья

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ

3-1. идеальный цикл

Цикл Стирлинга - это идеализированный термодинамический цикл состоящий из четырех термодинамических процессов, отражаемых двумя изотермами и двумя изохорами.

При предварительном рассмотрении цикла предполагалось, что все процессы - термодинамически обратимые, а процессы сжатия и расширения - изотермические; вследствие этого было принято, что коэффициент теплоотдачи между стенками цилиндра и рабочим телом - бесконечно большой. Кроме того, считалось, что во время процессов сжатия и расширения вся масса рабочего тела находится в соответствующих полостях, а влияние каких бы то ни было свободных объемов в насадке регенератора, в зазорах цилиндра или пазах незначительно. Было принято также, что для соответствующего распределения массы рабочего тела в цикле поршни двигаются прерывисто, а гидравлическое сопротивление и механическое трение отсутствуют. Наконец, предполагалась идеальная регенерация теплоты; это означало, что коэффициент теплоотдачи между рабочим телом и насадкой регенератора, а также теплоемкость самой насадки бесконечно большие.

3-2. действительный цикл

й люиом реальном двигателе все перечисленные выше факторы, а также и ряд других значительно снижают термический к. п. д. цикла по сравнению с к. п. д. в идеальном.цикле Карно. Эффективный к. п. д. составляет часть теоретического к. п. д. цикла Карно; это отношение называется относительным к. п. д., т. е.

эффективный к. п. д.

термический к. п. д. цикла Карио

В хорошо сконструированной машине значение этого коэффи-: циента превышает 0,4.

Для иллюстрации рассмотренного выше идеального цикла предполагалось, что механическое устройство состояло из двух оппо-зитно расположенных поршней с помещенным между ними регенератором. Такая двухпоршневая машина является одной из разновидностей многочисленных конструкций; подробнее она будет рассмотрена несколько позже. Один из возможных вариантов двухпоршневой машины приведен на рис. 3-1. Это V-об-разный двигатель, поршни которого имеют общий коленчатый вал. Объемы сжатия и расширения расположены в полостях над поршнями и соединяются между собой каналом с имеющимися в нем регенератором и дополнительными теплообменниками.

При работе двигателя существенное отклонение от идеальности происходит вследствие непрерывного движения поршней в отличие от прерывистого движения для идеального случая. В результате цикл в р, У-диаграмме не-сколько видоизменяется; в этом случае он имеет вид непрерывной плавной замкнутой кривой, а четыре термодинамических процесса не имеют резких переходов (рис. 3-2).

В реальном двигателе процессы сжатия и расширения в соответствующих полостях осуществляются неполностью, и поэтому представляется возможным изобразить три отдельные р, У-диаграммы: для полости сжатия, полости расширения и для суммарного объема с учетом мертвых объемов. Мертвый объем - это та часть общей рабочей полости, которая при работе двигателя не вытесняется ни одним из поршней. К мертвому объему относятся: зазоры между соответствующим поршнем и цилиндром, свободные объемы регене-

Рис. 3-1. Схема двигателя Стирлинга с V-образиым расположением поршней.

/ - полость расширения; 2 - полость сжатия; 3 - регенератор; 4 - нагреватель; 5 - холодильник; 6 - подача горючего; 7 - подача воздуха; 8 - выхлоп продуктов сгорания топлива; 9 - вход воды; 10 - выход воды; - подогреватель воздуха.

ратора и теплообменников, объемы соединительных каналов и отверстий. Общая положительная работа за цикл характеризуется р, F-диаграммой полости расширения, а отрицательная (затраченная) работа сжатия за цикл - р, F-диаграммой полости сжатия. Разность площадей этих диаграмм есть полезная (индикаторная) работа за цикл, часть которой расходуется на компенсацию работы трения (механические потери), а остальная часть - это полезная механическая работа на коленчатом валу двигателя.

Для идеального цикла, в котором процессы сжатия и расширения протекают изотермически, а механические потери отсутствуют, разность площадей соответствующих р, 1/-диаграмм в точности равняется площади р, У-диаграммы для суммарного рабочего объема.

		Мер/	пвый
		объем

Рнс. 3-2. Действительная р, F-днаграмма двигателя Стирлинга.

а - диаграмма полости расширения; б - диаграмма полости сжатия; в - диаграмма суммарного объема.

В реальном двигателе из-за наличия гидравлического сопротивления в регенераторе и теплообменниках, приводящего к разности давлений в полостях сжатия и расширения, такого равенства, естественно, не достигается. Гидравлическое сопротивление является чрезвычайно важным, поскольку оно уменьшает площадь р, F-диаграммы; это влечет за собой уменьшение полезной работы (а следовательно, и эффективного к. п. д.) двигателя и снижение холодопроизводительности й холодильного коэффициента холодильной машины (рис. 3-3).

Гармоническое движение поршней обусловливает циклическое перераспределение массы рабочего тела между различными температурными уровнями; в этом случае для общей массы рабочего тела невозможно построить наглядную Т, S-диаграмму. Такие Т, S-диаграммы можно построить лишь для отдельных частичек рабочего тела, перемещающихся от одного температурного уровня к другому; однако удобного способа, объединяющего все эти многочисленные диаграммы, нет.

Неизотермичность процессов сжатия и расширения - другая важная причина отклонения действительного цикла от идеального. Так, вероятней всего, что в двигателе с частотой вращения около 1000 об/мин эти процессы ближе к адиабатическим (отсутствует тепло-

обмен), чем к изотермическим (бесконечно большой коэффициент теплоотдачи). Для того чтобы процесс был наиболее близок к изотермическому, в двигателе часто используют специальные дополнительные теплообменники: нагреватель, примыкающий к полости расширения и служащий для подвода теплоты к рабочему телу, и холодильник, расположенный в зоне полости сжатия с целью отвода теплоты от рабочего тела (см. рис. 3-1). Несмотря на определенные улучшения условий теплообмена, наличие этих теплообменников имеет и некоторые негативные стороны. По всей вероятности, они увеличивают гидравлическое сопротивление, отрицательно сказывающееся на характеристиках двигателя, о чем уже говорилось выше. Далее, наличие указанных теплообменников вле-

Рнс. 3-3. Влияние гидравлического сопротивления на работу двигателя.

а - диаграмма давление-время для изменяющихся давлений в полостях сжатия и расширения. Различие в давлениях - результат влияния гидравлического сопротивления в регенераторе и теплообменниках; 6 - р, V-диаграммы для полостей расширения и сжатия. Заштрихованная площадь р, V-диаграммы полости расширения характеризует работу, обусловленную сопротивлением в регенераторе и теплообменниках.

чет за собой увеличение общего мертвого объема из-за свободных объемов нагревателя и холодильника, что имеет решающее влияние на характеристики регенеративных машин. Кроме того, нагревание рабочего тела происходит не только при его перемещении из регенератора в полость расширения, но также и при его обратном движении. Подобным же образом происходит и охлаждение рабочего тела как на входе, так и на выходе из полости сжатия. Возможны также и однопоточные системы, но они вносят дополнительные сложности в машину.

Совместное рассмотрение влияния увеличения гидравлического сопротивления и свободных объемов (с учетом цены, размеров и массы) приводит к компромиссному решению конструкции теплообменников. В результате может иметь место значительное расхождение между температурами нагревания (температура продуктов сгорания топлива), температурой охлаждения (температура воды или воздуха) и температурой рабочего тела. Это показано на рис. 3-4. Такое распределение температур можно считать типичным для регенеративного двигателя, где источником теплоты служит природное топливо, а для охлаждения используется вода. В этом случае тем-

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.