ВЫБОР РАБОЧЕГО ТЕЛА

На мощность н экономичность двигателя значительное влия­ние оказывают такие свойства рабочего тела, как коэффициент теплопроводности, теплоемкость, плотность и вязкость.

Увеличение коэффициента теплопроводности способствует приближению температуры рабочего, тела к температуре горя-

Чего и холодного источников теплоты, а увеличение теплоем­кости— возрастанию количества воспринимаемой рабочим те­лом за цикл теплоты пли уменьшению количества рабочего те­ла в цилиндре двигателя при одинаковом количестве сооб­щаемой теплоты. Уменьшение вязкости рабочего тела приводит к уменьшению гидравлических потреь при перетекании.

С учетом сказанного в качестве рабочего тела для двигате­ля Стирлинга можно использовать водород. Как показал опыт, действительно, при использовании водорода двигатель Стир­линга имеет наиболее высокие эффективные показатели рабо­чего процесса.

При выборе рабочего тела должны учитываться также тре­бования безопасности эксплуатации двигателя, надежности его работы, малой стоимости рабочего тела и его недефицнтности.

Применение водорода в качестве рабочего тела в двигате­лях Стирлинга связано с рядом затруднений. Водород облада­ет способностью при высоких температурах диффундировать через стальные стенки нагревателя, поэтому возникает необхо­димость или постоянно пополнять систему водородом, или при­менять специальные дорогостоящие материалы для изготовле­ния нагревателя. Пополнение системы водородом может про­изводиться сравнительно легко из дополнительной емкости, но это связано с увеличением габаритов и массы установки.

Кроме того, применение водорода в двигателях, работаю­щих в ограниченном пространстве, нецелесообразно по услови­ям взрывобезопасности. Это вызывает дополнительные труд­ности при герметизации системы. Хотя внутри двигателя исполь­зуется относительно небольшое количество водорода (около 150 г для двигателя мощностью 200 л. с.) и просочившийся газ быстро рассеивается в атмосфере, все же еще неясно, ка­кие меры нужно принимать для обеспечения безопасной эксплуатации такого двигателя.

Вследствие этого во многих случаях в качестве рабочего тела в двигателях используют гелий. Влияние различных рабо­чих тел (водорода, гелия и воздуха) на эффективный к. и. д. двигателя Стирлинга при давлении рабочего тела 110 кгс/см2, температуре в нагревателе 700° С, температуре охлаждающей воды 25° С и к. п. д. камеры сгорания 0,85 показано на рис. 20 [45]. Применение гелия (кривая 2) и особенно водоро­да (кривая 5) в качестве рабочего тела вместо воздуха (кри­вая 1) позволяет значительно увеличить литровую мощность двигателя при высоком к. п. д.

Гелий обладает большей теплоемкостью и лучшей тепло­проводностью по сравнению с воздухом. При одинаковых дав­лениях и температурах плотность гелия примерно в 7 раз меньше плотности воздуха, поэтому можно увеличить скорость потока гелия в каналах теплообменников в 2’—3 раза без су-

ВЫБОР РАБОЧЕГО ТЕЛА

Рис. 20. Влияние различных рабочих тел на эффективный к. п. д. т)е двигателя Стирлинга

Щественного снижения давления. Увеличение коэффициента теплопередачи при использовании гелия вместо воздуха позво­ляет сократить габаритные размеры теплообменных аппаратов примерно в 2—3 раза.

Применение гелия или другого инертного газа в установках замкнутого цикла, что исключает возможность его окисления, позволяет использовать такие металлы, как ниобий или молиб­ден или его сплавы. Эти материалы в нейтральной атмосфере и при очень высоких температурах допускают напряжение до 40 кге/мм[2]. Опыт эксплуатации указанных жаропрочных мате­риалов в других отраслях техники дает достаточные основа­ния для применения гелия в высокотемпературных двигателях Стирлинга. Кроме того, в случае использования в качестве ис­точника тепловой энергии атомного реактора гелий является единственным рабочим телом, которое не становится радиоак­тивным во внутреннем контуре реактора. Чистый гелий, прохо­дя через активную зону атомного реактора, не становится ра­диоактивным, и поэтому возможно создание реакторов с тем­пературой газа на выходе более 1000° С.

По данным расчетов и испытаний выполненных фирмой Дженерал Моторе двигателей следует, что в случае использо­вания в качестве рабочего тела гелия вместо водорода для обеспечения требуемой мощности рабочий объем двигателя должен быть увеличен на 40% [26].

В качестве рабочего тела в двигателях Стирлинга приме­няется также аргон и углекислый газ. При работе двигателя на аргоне к. п. д. двигателя на 37%, а удельная мощность на 32% выше, чем при использовании воздуха [14].

Расчет двигателя Стирлинга мощностью 20 л. с. при П = ^4000 об/мин, работающего на углекислом газе, при макси­мальной 650° С и минимальной 60° С температурах, механи­ческом к. п. д. 0,95, к. п. д. регенератора 0,9 и минимальном давлении цикла 40 кгс/см2 показал, что к. п. д. цикла Стирлин­га при степенях повышения давления 2 и 3,33 достигает 0,422 п 0,536. Соответственно эффективный к. п. д. равен 0,336 и

0, 438 [37].

Для повышения удельной мощности необходимо увеличить массу рабочего тела. С этой целью его нагнетают в систему под давлением. Максимальное давление рабочего тела незави­симо от его вида (водород или гелий) должно быть 70— 210 кгс/см2, так как мощность двигателя данного рабочего — объема изменяется практически прямо пропорционально мак­симальному давлению рабочего тела. Однако повышение дав­ления цикла приводит к увеличению нагрузок на кривошнпно — шатунный механизм, а следовательно, к росту его размеров и массы. При высоком давлении цикла требуется также исполь­зование дорогостоящих жаропрочных материалов. Например, фирма и55 (Швеция) построила двигатель со средним рабо­чим давлением 217 кгс/см2. Сейчас она работает над снижени­ем его до 110 кгс/см2, чтобы для производства двигателя ис­пользовать обычные нержавеющие стали.

Теплофизические свойства водорода, гелия и воздуха при различной температуре Т приведены в табл. 3 [34].

3. Теплофизические свойства водорода, гелия и воздуха

Т, к

Водород

Гелий

Воздух

Абсолютное давление, кгс/см2

[

[00

200

[

100

200

I

100

200

Теплоемкость сР, ккал/(кг ■ °С)

280

3,39

3,46

3,50

1,2403

1,2403

1,2403

0.240

0,284

0,315

500

3,46

3,48

3,49

1,2403

1,2403

1 2403

0,246

0,2565

0,2645

700

3,49

3,49

3,495

1.2403

1,2403

1 ,’2403

0,2565

0,2615

0,266

900

3,53

3,54

3,54

1,2403

1,2403

1,2403

0,268

0,271

0.271

Коэффициент теплопроводности Я103, ккал/(м-ч-°С)

300

157,3

165

170,2

128,5

132,2

136,8

22,5

27,1

500

229

233

237

190.5

192,5

195.2

35,1

37,3

900

354

356

257,5

288,3

239,3

290,5

49,27

50,6

Динамическая вязкость |дЛ03, кге■ с/м2

300

91 ,3

92,7

95

197,5

198,5

200

188

209

242

500

129

129,6

131

285

284

283

275

285

299

1000

205

204,8

206

424

423,3

423,3

432,5

437

443

Теплоемкость гелия в интервале температур от 0 до 3000°С и в интервале давлений от 1 до 200 кгс/см2 может быть приня­та постоянной, а именно ср= 1,2403 ккал/(кг-° С). Погрешность значений теплоемкости при этом не более 0,2% [34]. Коэффи-

Циеит теплопроводности гелия при атмосферном давлении в интервале температур 0—3000°С определяется по уравнению [в ккал/(м ‘Ч — ° С)]

0

G6-f 128 ’

подпись: g6-f 128 ’Lt = 0,1365 (0 — 0,8536)°’69-Ь 0,757′

Где в = (/320; T — температура, 0 С.

Коэффициент теплопроводности гелия при давлении Р и температуре T может быть определен по формуле

1 — Я, — ь 2,00 . 10-4р + 2,05 ■ 10—ср2,

Где Kf—коэффициент теплопроводности гелия при атмосфер­ном давлении и температуре T р — плотность гелия при давле­нии Р и температуре T, кг/см3.

Динамическая вязкость гелия при атмосферном давлении в интервале температур 0—3000 ° С (в кгс-с/м2)

& = Ь (0 + 0,8536)°.» + °9°788^- >

Где 6 = 0,2062-10-5.

При давлении Р и температуре I динамическая вязкость гелия

Р ^ — f — 0,272 ■ 10-V,

Где ju*—’динамическая вязкость гелия при атмосферном давле­нии и температуре T.

Добавить комментарий

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