Техника - молодёжи 1986-07, страница 29
ка расширение и сжатие рабочего тела необходимо вести в настолько большом интервале давлений, что его практическая реализация оказывается очень сложной и нецелесообразной. Р. Стирлинг, как оказалось, удачно обошел эту трудность, введя в цикл регенерацию тепла, когда охлаждающийся (отработавший) поток рабочего газа отдает свое тепло через регенератор нагревающемуся потоку. Низкий уровень технологии не позволил создать в начале XIX века достаточно совершенные двигатели этого типа, и они уступили место быстро развивающимся ДВС (сначала Отто, а затем и Дизеля). Тем не менее расчеты, проведенные специалистами, показали, что оба цикла — и Стирлинга, и 'Карно — термодинамически равноценны. Цикл Стирлинга, состоящий из двух изотерм и двух изохор, может судьбы технических идеи служить таким же термодинамическим эталоном, как и цикл Карно. Более того, регенерация тепла в этом цикле позволяет работать в большом интервале температур, а следовательно, с высоким кпд при малых отношениях давлений сжатия и расширения рабочего тела. Эта особенность цикла Стирлинга делает реальной при современном уровне технологии его практическую реализацию в двигателях, имеющих кпд, близкий к максимальному при определенной разности температур нагревателя Ti и хо лодильника Т2. Термический кпд идеального цикла Стирлинга, как и цикла Карно, определяется формулой: T)t=(T,-T2)/T1. Однако практически термический кпд этих двигателей заметно ниже. В частности, процессы сжатия рабочего тела (с отводом тепла) и его расширения (с подводом тепла) на практике отклоняются от изотермических. При сжатии холодного газа его температура из-за несовершенства теплообмена повышается, увеличивается затрачиваемая на этот процесс работа, а при расширении горячего газа его температура по той же причине снижается. Кроме того, при прохождении горячего газа через регенератор из-за несовершенства теплообмена тепло переходит материалу пористой насадки не полностью, газ не охлаждается до минимальной температуры. Так возникает необходимость отводить избыток тепла в окружающую среду через холодильник. В свою очередь, холодный газ, проходя через регенератор в обратном направлении, по той же причине не нагревается до максимума температуры и должен быть дополнительно нагрет, что требует затрат энергии. В реальных двигателях Стирлинга энергия теряется на трение, теп- СХЕМЫ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА а) Изотермическое сжатие: поршень-вытеснитель 1 находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) и остается условно неподвижным. Газ сжимается рабочим поршнем 2, движущимся слева направо, и поступает в холодную полость 3 под поршнем-вытеснителем. Давление газа возрастает, а температура остается постоянной, так как теплота сжатия отводится через стенки цилиндра 4 и холодильник 5 в окружающую среду при Т2. б) Изохорное нагревание: рабочий поршень 2 находится вблизи ВМТ и остается условно неподвижным. Поршень-вытеснитель 1 движется от ВМТ и перемещает холодный сжатый газ из полости 3 в горячую полость 6 над поршнем-вытеснителем. При прохождении газа через регенератор 7, заполненный пористой насадкой, нагретой в предыдущем цикле, его температура повышается от Г 2 до Тi. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, давление газа в них повышается и достигает максимального значения. в) Изотермическое расширение: поршень-вытеснитель находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ) и остается условно неподвижным. Рабочий поршень 2 под действием давления газа движется справа налево, происходит расширение горячего газа в полости 6. Полезная работа, совершаемая рабочим поршнем 2, через кривошипно-шатунный механизм 8 передается на вал двигателя. Давление в цилиндрах двигателя падает, а температура газа в горячей полости 6 остается постоянной, так как к нему подводится тепло от горячего источника (например, горелки 9) через теплообменник-нагреватель 10 и стенки цилиндра 11 при Ti. Рабочий поршень 2 в этой части цикла одновременно сжимает газ, находящийся в герметичной буферной емкости-картере 12. Запасенная таким образом энергия идет на сжатие газа в процессе «а» следующего цикла. г) Изохорное охлаждение: рабочий поршень 2 находится вблизи НМТ и остается условно неподвижным. Поршень-вытеснитель 1 движется к ВМТ и перемещает газ, оставшийся в горячей полости 6, в холодную полость 3. При прохождении через регенератор 7 горячий газ отдает свое тепло материалу пористой насадки и охлаждается от Ti до Т2. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, давление газа в них продолжает падать и достигает минимального значения. Роберт Стирлинг — изобретатель принципиально нового двигателя. График зависимости кпд л от нагрузки 6 для ДС (1), дизеля (2) и ДВС (3). % График зависимости кпд л от нагрузки 6 для ДС (1), дизеля (2) и ДВС (3). %
10 20 tfe,K&T 10 20 tfe,K&T 27 |
