Низкотемпературные двигатели Стирлинг

3. Низкотемпературные двигатели

На сегодняшний день не существует четкой границы между высоко — и низкотемпературными двигателями. Если рассматривать проблемы компоновки и оптимизации параметров внутреннего контура и не принимать во внимание вопросы, связанные с системами охлаждения, регулирования, а также с камерой сгорания или каким-либо другим источником теплоты, то к низкотемпературным следует отнести машины Стирлинга с отношением температуры охладителя и нагревателя более, чем 0,6…0,7. Соответственно, для таких двигателей температура нагревателя будет не более 550 К, а температура охладителя для рефрижераторных машин составляет не менее 230 К.

Среди опубликованных работ нет исследований, которые содержали бы результаты экономического обоснования целесообразности применения таких двигателей. Очевидно, что им будут присущи большие массогабаритные показатели и относительно невысокая эффективность. По этим причинам величина построечной стоимости и расходы на эксплуатацию являются определяющими при решении вопроса о целесообразности применения низкотемпературных двигателей.

Этими обстоятельствами объясняется то, что большинство таких двигателей выполняются с использованием самых дешевых технологий и в значительной части конструкций предполагается, что их изготовление вполне доступно рядовому механику из распространенных дешевых материалов. Именно так, большей частью в ВУЗ’ах, выполнены демонстрационные двигатели с жидкостными поршнями (Университет Калгари, Военно-морской инженерный колледж Плимута) [8, с.1950], двигатели с перекладкой вытеснителя (I. Kolin, Университет Загреба) [1], микродвигатели, способные работать при температурных перепадах в 10…20 К (W. Lutzer, J. R. Senft) [4]. К их числу можно отнести и претендующие на утилитарность Стирлинг-насосы разработки W. Kufner [2] и Delta T Photon [3]. По результатам испытаний в Мюнхенском университете, используя солнечное излучение, агрегаты Delta T Photon массой 400…500 кг при частоте вращения 60…120 мин-1 приводят насос мощностью до 200 Вт. Их специфической особенностью является сопутствующий подогрев перекачиваемой воды, причем тепловая мощность подогревателя составляет 4…6 кВт [14, с.113].

Наиболее интересная работа в этом направлении выполнена в Университете Сайтама (Япония) (рис. 2) [10, с.29]. Выполненный здесь опытный двигатель LDSE характеризуется несколькими принципиальными особенностями. Кинематический механизм на подшипниках качения по γ-схеме, но с соосным расположением цилиндров. Фактически это двигатель по β-схеме, но с дополнительным мертвым объемом в холодной полости. Для привода рабочего поршня применен ползунный механизм (подобный механизму двигателя KS15D), исключающий возникновение боковой силы. Кольцевые теплообменные аппараты располагаются в области перемещения вытеснителя. Нагреватель и охладитель кожухотрубного типа с оребренными трубками, причем рабочее тело циркулирует в межтрубном пространстве, а по трубкам прокачиваются холодный и горячий теплоносители.

Низкотемпературный стирлинг

Низкотемпературный стирлинг

Рис. 2. Одноцилиндровый низкотемпературный двигатель Стирлинга LDSE

1- вытеснитель, 2 — полость сжатия, 3 — маховик, 4 — буферная полость, 5 — ползунный механизм рабочего поршня, 6 — КШМ вытеснителя и коленчатый вал, 7 — рабочий поршень, 8 — охладитель, 9 — регенератор, 10 — нагреватель, 11 — полость расширения.

Мощность 146 Вт при атмосферном давлении в картере и частоте вращения 143 мин-1, рабочее тело — воздух, картер герметичный, максимальное давление в картере 0,3 МПа. Размеры цилиндров: рабочий — 40/20, вытеснитель — 80/8. Угол заклинки кривошипов 90˚.

Источник теплоты в экспериментах — этиленгликоль, его расход 20 л/мин, температура — 403 К. Температура охлаждающей воды — 313 К.

На рабочем поршне и штоках вытеснителя применены уплотнения одностороннего действия, обеспечивающие среднее давление цикла выше давления в картере-буфере. Этот двигатель нельзя в полной мере отнести к простым и дешевым, однако на его примере экспериментально доказано, что при температуре источника теплоты 403 К вполне возможно рассчитывать на получение механической работы с эффективным КПД около 5 %, что соответствует 22,4 % от величины КПД цикла Карно (при температуре охлаждающей воды 313 К).

Литература.

1. Kolin I. Stirling Motor. History-theory-Practice, Dubrovnic, 1991.

2. Kufner W. Stirlingmaschinen einfacher Bauart. 1992.

3. Low-Temperature Diffrence Solar Stirling Engines. Delta T Photon. Energietechnik F&E (Проспект).

4. Lutzer W. Hand Warme Stirling. — Hamburg. (Проспект)

5. Ocean Eng. and Environ. Conf., vol.1, San Diego, 1985.

6. Proc. 18th Intersoc. Energy Conver. Eng. Conf., Orlando, Fi., 1983.

7. Proceedings of 26th Intersoc. Energy Conver. Eng. Conf., Boston, 1991.

8. Proceedings of 29th Intersoc. Energy Conver. Eng. Conf., Monterey, CA, 1994.

9. Proceedings of 6th International Stirling Engine Conf., Eindhoven, Netherlands, 1993.

10. Proceedings of 8th International Stirling Engine Conference and Exhibition. — University of Ancona, Italy, 1997.

11. Steimle F. Stiling-Maschinen-Technik: Grundlagen, Konzepte und Chancen. — Heidelberg, Muller, 1996.

12. Stine W. B., Diver R. B. A Compendium of Solar Dish/Stirling Technology /SAND93-7026 UC-236 Unlimited Release, Sandia National Laboratories, USA, Alburquerque, 1994.

13. Tagungsband des Europaischen Stirling Forums 1994, Osnabruck 22-24 Marz 1994.

14. Tagungsband des Europaischen Stirling Forums 1996, Osnabruck 26-28 Februar 1996.

15. Tagungsband des Europaischen Stirling Forums 1998, Osnabruck 24-26 Februar 1998.

Статья опубликована в журнале «Двигателестроение», 2002, № 3, с. 15-18.

Проблемы двигателей Стирлинг

Добавить комментарий

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