Характеристики двигателя «Флюидайн»

Двигатели «Флюидайн» как «мокрого», так и «сухого» типов были созданы в Центре по атомной энергии в Харуэлле (Анг­лия), и начиная с 1970 г. по этим двигателям была выполнена большая теоретическая и экспериментальная работа. К сожале­нию, подробная информация об этой работе еще не опублико­вана. Однако в других институтах также была выполнена рабо­та по этим двигателям, достаточная для того, чтобы вынести определенные суждения о рабочих характеристиках двигателей «Флюидайн». Большинство опубликованных работ относится к двигателю «Флюидайн», используемому в качестве насоса (рис. 1.40 и 1.41). Эти исследования в целом хорошо докумен­тированы, имеют подробные описания экспериментов, однако полученные результаты не слишком детализированы. Это не удивительно, поскольку имеются определенные трудности в по­лучении фундаментальных результатов из-за отсутствия обору­дования и приборов, которые можно было бы приобрести для таких исследований [64, 65]. Кроме того, «Флюидайн» — на­столько необычное устройство, что у исследователей появляется соблазн «поиграть» с ним — изменяя конструктивные параметры, наблюдать, что из этого получится.

В этой главе собраны все имеющиеся экспериментальные данные по этим двигателям. Для обобщения характеристик дви­гателей «Флюидайн» этих данных явно недостаточно. Когда ста­нут доступными публикации центра в Харуэлле и будет опубли­кована книга Уокера и Уэста [33], мы будем располагать зна­чительно большим объемом информации для изучения. Однако одно обобщение можно сделать уже сейчас, и оно касается двух режимов работы двигателей «Флюидайн». В «мокром» режиме в горячем цилиндре происходит значительное парообразование. Это увеличивает изменения давления в цикле, так что при нор­мальных рабочих температурах амплитуда колебаний давления в цикле в 5—7 раз выше, чем в случае однофазного газа. Соответственно возрастает развиваемая мощность, и, следо­вательно, мощность на единицу массы выше, чем в «сухом» режиме. Однако при наличии парообразования необходимо увеличивать подвод тепла в систему, чтобы сбалансировать скрытую теплоту парообразования. В результате общий КПД получается весьма низким — обычно менее 1 %• Если вос­препятствовать парообразованию, то, несмотря на падение удельной мощности и уменьшение количества подводимой энер­гии, можно достигнуть увеличения КПД до 10 %. В то время как «мокрый» «Флюидайн» может работать при весьма низких температурах в горячей полости (80—100°С), работа в «сухом» режиме протекает при значительно более высоких температу­рах (в среднем при 400 °С). При выборе между «мокрым» и «сухим» режимами работы необходимо тщательно взвесить все «за» и «против».

«Флюидайн» с подкачкой энергии, осуществляемой реактив­ной струей, из-за простоты своей конструкции и очевидной нечув­ствительности к выбору размеров практически без исключе­ний применяется в экспериментальных исследованиях и для ра­боты в качестве насоса. Опубликованные результаты исследова­ний приведены в табл. 1.18. Устройства, на которых были по­лучены эти результаты, имели различные размеры, и отобран­ные результаты следует рассматривать только как эксперимен­тальные данные.

Таблица 1.18. Характеристики двигателя «Флюидайн» (типичные значения параметров)

Кпд, %

Высота подъема жидкости, м

Производитель­ность, л/ч

Источник

0,2

1,0

11,4

[66]

0,35

1,6

378

[67]

0,08

0,9

43,5

|68]

0,15

0,3

22,6

[69]

0,18

1,1

113,6

[70]

Ряд исследований «мокрого «Флюидайна» с реактивной струей был выполнен в отделении исследований двигателя Стир­линга Королевского морского инженерного колледжа (Англия). В табл. 1.19 приведены типичные результаты. Полностью эти результаты опубликованы Хенсманом [13] и Льюисом [21].

Таблица 1.19. Характеристики двигателя «Флюидайн», полученные

В Королевском морском инженерном колледже (Англия)

Подводимая мощность, Вт

TSS

Ьтнс- °с

Высота подъема жидкости, м

Производи­тельность, л/ч

КПД, %

Идеальны? КПД, %

51,9

0,024

17

0,91

68,4

0,52

4,67

49

0.026

19

0,94

65

0,34

5,20

40

0,032

22

0,94

50,5

0,33

6,20

49

0,029

20

1,00

68,6

0,38

5,64

67

0,062

42

1,00

73,6

0,30

11,51

В серии экспериментов Хенсмана подводимая энергия варьиро­валась от испытания к испытанию с целью определить, имеет ли «Флюидайн» наиболее благоприятные режимы работы с точки зрения подводимой энергии и параметра Tss, обеспечивающего самозапуск двигателя (см. равенство (1.1)). При подготовке эксперимента были приняты меры для уменьшения утечки теп­ла из горячей полости в окружающее пространство, и это спо­собствовало снижению величины Tss ниже значения 0,1, кото­рое ранее считалось критическим. В этих и других испытаниях было установлено, что «Флюидайн» может работать при разно­сти температур между двумя полостями ТНс= 17 °С, которая является весьма низкой величиной. Все упомянутые параметры приведены в табл. 1.19.

Эти параметры типичны для «Флюидайна» и содержат ряд интересных особенностей, например такую, что увеличение раз­ности температур горячей и холодной полостей необязательно влечет за собой увеличение теплового потока и КПД. Эта осо­бенность, вероятно, отличает «мокрый» «Флюидайн» не только от других двигателей Стирлинга, но и вообще от других уст­ройств, вырабатывающих механическую энергию. В основе это­го необычного свойства лежит, по-видимому, тот факт, что в этом двигателе рабочее тело двухфазное и двухкомпонентное [21, 65], поэтому для «мокрого» «Флюидайна» наиболее благо­приятными являются рабочие режимы, в которых последова­тельно преобладают рабочие циклы либо с сухим воздухом, ли­бо с влажным паром.

Циклические изменения давления и фазового угла «мокрого» «Флюидайна» также отличаются от соответствующих характе­ристик обычного двигателя Стирлинга, в то время как «сухой» «Флюидайн», как утверждают, имеет рабочие характеристики, аналогичные рабочим характеристикам обычного двигателя Стирлинга с жестким кривошипно-шатунным механизмом. Пе­ремещения мениска жидкости, эквивалентные движению твердо­го поршня, не точно следуют синусоидальному закону. Между

Характеристики двигателя «Флюидайн»

Рис. 1.120. Профили перемещения менисков жидкости в трубах «мокрого» «Флюиданна» [21].

1—«горячая» труба; 2 — «холодная» труба; 3 — выходная труба.

Перемещениями трех менисков в выходной, горячей и холодной трубах не поддерживается постоянный сдвиг по фазам в тече­ние рабочего цикла. Эта особенность показана на рис. 1.120.

Циклические перемещения наблюдались с помощью фототех­ники, однако в работе [64] описывается аппаратура, позволяю­щая упростить измерения этих перемещений. Типичные измене­ния давления цикла в горячей и холодной полостях показаны на рис. 1.121, а изменения температуры цикла — на рис. 1.122.

Что касается последнего параметра, то, хотя наличие изме­нений очевидно, они весьма малы по своей величине, и для рас­четов процесс можно считать в среднем изотермическим. Этот вопрос, однако, требует дальнейшего исследования. В работе [71] высказывается предположение, что холодную полость мож­но считать изотермической, а горячую — адиабатной. Полу­ченных результатов недостаточно, чтобы принять или отверг­нуть это предположение. Двигатели «Флюидайн», испытанные в отделении исследований двигателей Стирлинга Королевского морского инженерного колледжа, имели рабочие частоты в диа­пазоне 0,7—2,0 Гц, и, судя по опубликованным данным, этот диапазон типичен для всех двигателей «Флюидайн», построенных к настоящему времени.

Необходимо сделать еще одно замечание относительно опуб­ликованных описаний экспериментов. Это замечание касается устойчивости колебаний системы. «Флюидайн» обладает способ­ностью к «самовозбуждению» (иными словами, способностью к «самозапуску») и, будучи пущенным в ход, начинает работать с установившимися колебаниями. Эта способность дает возмож­ность ввести более точную классификацию двигателей «Флюи­дайн» [21, 65]. Такая классификация состоит из двух частей. Первая дает определение «Флюидайна» как автономной си­стемы, что является прямым следствием неявного вида произ­водной по времени в гидродинамических уравнениях, описываю­щих систему. В таких системах частота колебаний является функцией их амплитуды, и это подтвердилось в экспериментах с «Флюидайном». Вторая связана с тем, что из-за демпфирования в системе «Флюидайна» описывающие ее уравнения неконсерва­тивны. В общем случае в такой системе колебания должны бы­ли бы экспоненциально затухать со временем, чего, однако, не происходит во «Флюидайне», в котором колебания носят устой­чивый характер. Это дает основание утверждать, что система работает в режиме «ограниченного цикла» [21]. Наиболее важ­ным следствием этого утверждения является то, что система, работающая в ограниченном цикле, может самовозбуждаться. В случае «Флюидайна» это проявляется в способности системы «самозапускаться». Самовозбуждение возможно в двух фор­мах — «жесткой» и «мягкой», причем существование той или иной формы определяется конкретным параметром системы. В колебательной электрической цепи таким параметром может быть общая индуктивность, в то время как в случае «Флюи­дайна» им, очевидно, является температурный параметр самоза­пуска Tss. Когда достигнуто критическое значение ключевого

Характеристики двигателя «Флюидайн»

Бремя

Рис. 1.121. Изменения давления цикла в «мокром» «Флюидайне».

1 — полость расширения; 2 — полость сжатия.

Характеристики двигателя «Флюидайн»

50

А

Время, с

48

Характеристики двигателя «Флюидайн»

100

1 96

j

SZ

Ч


0 4 8

6 Бремя, с

Рис. 1.122. Изменения температуры цикла в «мокром» «Флюидайне».

А—холодная полость; б—горячая полость.

Параметра и возникают самовозбуждающиеся колебания, то воз­буждение определяется как «мягкое», если амплитуда колеба­ний нарастает медленно; когда же самовозбуждение возникает быстро и амплитуда также быстро достигает своего предельного значения, то преобладает «жесткое» самовозбуждение. Экспери­ментальные наблюдения свидетельствуют, что «Флюидайн» яв­ляется «жесткой» системой.

Это обсуждение вопросов устойчивости работы «Флюидайна» может показаться несколько академическим, однако анализ и математическое моделирование «Флюидайна» с помощью обыч­ных термодинамических и гидродинамических методов весьма затруднительны и требуют значительного машинного времени для решения уравнений. В то же время моделирование метода­ми устойчивости, которые хорошо разработаны в рамках теории регулирования, позволяет упростить решение проблемы и полу­чить более точное описание процессов, протекающих во «Флюи — дайне», и более достоверные результаты. Это даст возможность не только применить более научный подход к конструированию двигателя, но и сопоставить и объяснить результаты экспери­ментов.

Двигатели «Флюидайн» просты и не требуют больших за­трат на изготовление. Они представляются идеальными устрой­ствами для проведения исследований в университетах. Тем не менее, хотя рабочий цикл «Флюидайна» интересен с академиче­ской точки зрения, такой подход не должен быть единственным в ущерб насущно необходимому эмпирическому исследованию, целью которого должно быть определение перспектив «Флюи­дайна» в том плане, сможет ли он стать коммерчески выгодным изделием или останется изящной игрушкой.

Добавить комментарий

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