Нагреватель

Конструктивная форма нагревателя зависит от типа применяе­мого на двигателе источника теплоты. Кроме того, на конструк­тивную форму нагревателя значительное влияние оказывает аг­регатное состояние теплоносителя, осуществляющего перенос теплоты от источника к рабочему телу во внутреннем контуре. В зависимости от агрегатного состояния теплоносителя нагре­ватель двигателя Стирлинга представляет собой либо теплооб­менник типа газ — газ, либо теплообменник типа жидкость — газ. Работа таких теплообменников в системе двигателя Стир­линга имеет определенную специфику.

Так, если температурный напор между теплоносителем в жидкой или газовой фазе и рабочим телом во внутреннем кон- туре при установившемся режиме работы составляет единицы или максимум десятки градусов, то перепад между давления­ми теплоносителя и рабочего тела достигает 100—300 кгс/см2. При таких условиях работы; теплообменника-нагревателя (тем­пература 650—750° С, давление 100—300 кгс/см2) предъявля­ются особые требования к форме теплообменных поверхностей, применяемым материалам и технологии изготовления. В настоя­щее время нагреватель наиболее часто делают с трубчатыми теплообменными поверхностями. Эта конструкция оказалась наиболее простой и надежной для описанных выше условий ра­боты. При указанной форме теплообменной поверхности уве­личение компактности (отношение поверхности теплообмена к объему теплообменника) достигается уменьшением диаметров трубок. Эффективным ^способом увеличения компактности

Рис. 58. Продольный разрез головки цилин­дра двигателя и нагревателя (с регенера­тором и охладителем в общем Корпусе)

НагревательТрубчатых теплообменников является использование вто­ричных поверхностей или ребер в основном с наружной стороны.

Продольный разрез на­гревателя и головки двига­теля без регенератора и ох­ладителя приведен на рис. 58.

Нагреватель представляет со­бой ряд тонкостенных тру­бок 4, одним концом прива­ренных к головке цилиндра 7, а другим —к головке регене­ратора 2. В верхней части нагревателя трубки объединя­ются кольцевым сборником 5, А в нижней части эти трубки имеют ребра 3, В качестве материала для трубок нагревателя используется нержавею­щая сталь типа 18-8 (18% Сг и 8% N1) либо жаропрочные сплавы типа мультимет X-10 (20% Сг, 20% Со, 20% ]Ц).

Сборка трубок нагревателя, кольцевого сборника и корпу­сов регенераторов производится вокруг цилиндра. Конструкция такова, что каждая деталь удерживается на своем месте дейст­вием веса. Детали соединяются друг с другом при помощи аргоно-дуговой сварки или пайки твердым припоем. Припой в виде порошка, содержащего никель, железо, хром, кремний и бор, засыпают вокруг всех соединительных частей; припой мо­жет быть нанесен также в виде покрытия на наружную поверх­ность деталей в зоне соединения; припой, предварительно ра­створенный в соответствующем растворителе (например, в мало­зольном метилметакрилате), наносится теткой. Затем полно­стью собранную головку с нагревателем и корпусами регенера­торов помещают в вакуумно-сварочную печь с температурой около 1200° С. Пайка твердым припоем деталей из нержавею­щей стали или других жаропрочных сплавов с высоким содер­жанием никеля возможна также в среде сухого водорода при температуре 1100—1200° С. При такой пайке компоненты при­поя диффундируют в основной металл, и прочность соединения получается равной прочности основного металла, используемого для изготовления деталей.

Следует отметить, что сами припои отличаются хрупкостью. В местах соединений твердым припоем недопустимы никакие сварные операции, так как возникающие при сварке остаточные

И охладителем 5, в котором te зуется жидкий металл (NaK).

Рис. 59. Головка двигателя Стирлинга при использовании в качестве теплоносителя жидкого металла (№К)

подпись: рис. 59. головка двигателя стирлинга при использовании в качестве теплоносителя жидкого металла (№к)

НагревательОтверстия в цилиндре, трубки нагревателя 2 и внутренние полости стаканов регенератора соединены между собой. Кольце­образный трубопровод 1 из листового металла и патрубок 8 По которому поток жидкого металла направляется к трубкам нагревателя, приварены к головке цилиндра 6. Посредством сильфонов 3 кольцеобразный трубопровод I связан со стакана­ми регенераторов 4. Система охлаждения, состоящая из восьми отдельных охладительных камер 5 и соединяющей их охлажда­ющей рубашки, смонтирована на цилиндре 6. Другая водяная рубашка 7 приварена снаружи в нижней части головки цилинд­ра 6 н служит как для поддержания постоянства температуры холодной полости, так и для создания приемлемых температур­ных условий работы уплотнения вытеснительного поршня.

Изготовление трубчатых теплообменников и, в частности, на­гревателя двигателя Стирлинга является трудоемким и дорого­стоящим производственным процессом, требующим больших за­трат ручного труда. Снижение стоимости нагревателя может быть достигнуто путем выбора рациональной конструктивной формы и улучшения технологии изготовления, в частности пу­тем автоматизации ручных операций. Так, например, фирмы MAN и MWM разработали достаточно простую конструкцию головки цилиндра 1 и нагревателя 2, объединенных с корпусом регенератора 3 и охладителя 4 рабочего тела (рис. 60). При этом нагреватель рабочего тела выполнен составным из не­скольких деталей, которые изготовляются методом прецизион­ного лнтья без последующей механической обработки.

Надежность двигателя Стирлинга, как и любой машины, определяется на­дежностью наиболее сла­бого звена. В двигателе Стирлинга таким звеном являются трубки нагрева­теля. Условия работы по­следних характеризуются средней температурой стен­ки трубки 700—750° С и средним давлением внут­ри нее 100—300 кгс/см2 при циклических теплосменах.

На рис. 61 приведены диаграммы распределения температур Т по боковой поверхности трубок и их средняя долговечность т при этом распределении

Температур [44]. Как следует из диаграммы (рис. 61,6), при замене трубки из нержавеющей стали 18-8 трубкой из сплава мультимет Х-10 значительно увеличивается ее долговечность.

В аналогичных рабочих условиях находится и верхняя часть гильзы цилиндра (головка цилиндра). На рис. 62 приведено из­менение температуры вдоль стенки гильзы [44]. Особое значе-

4′

Рис. 66. Головка цилиндра

Нагреватель

500 І °С

 

С°с

900 г

 

Ц)

 

А)

 

Рис. 61. Характеристика трубок нагревателя двигателя Стирлинга:

 

А — распределение температур Т; б —средняя долговечность Х при 850° С; / — трубка из нержавеющей стали 18-8; 2 — трубка из сплава мультимет Х—10

Рис. 82. Изменение температуры T вдоль стенки гильзы цилиндра

 

Нагреватель Нагреватель Нагреватель Нагреватель

Лис имеет выбор толщины ее стенки в зоне холодной полости, так как в этом месте резко изменяется температурный гради­ент, вследствие чего возникают высокие тепловые напряжения.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *