Применение тепловых труб в двигателях Стирлинг

2. Применение тепловых труб.

В 1990-е годы судя по содержанию публикаций интерес к тепловым трубам несколько уменьшился. По-видимому, это не следует связывать с наступившим разочарованием в их свойствах. Наиболее вероятная главная причина — уменьшение числа и объема опубликованных работ по двигателям для подводной и космической техники. Однако, вполне возможно, что негативной рекламой для тепловых труб стало успешное применение в подводных лодках двигателя V4-275R, выполненного без их использования.

Тем не менее, фирмы STM Inc., SBP, Cummins PG отдают явное предпочтение применению тепловых труб в двигателях с нетрадиционными источниками энергии (солнечный, изотопный) [12].

Из новых разработок следует выделить натриевую тепловую трубу для гибридного источника теплоты, разработанную в институте теплотехники Штутгарта [15, с.123]. Разработка выполнена для солнечного Стирлинг-генератора фирмы SBP на базе двигателя V-160 (SOLO-161), конструкция предназначена для обеспечения работы совместно с газовой камерой горения при недостаточной интенсивности освещения. Особенностью ее является высокая компактность и внешнее по отношению к натрию расположение трубок нагревателя. Как правило, конструкции с тепловой трубой выполняются в виде паровой камеры вокруг нагревателя, теплота подводится в них через боковые или торцовые поверхности или через дополнительный элемент (испаритель). Такими, в частности, являются системы передачи теплоты, выполненные фирмами STM Inc. и Cummins PG. В рассматриваемой конструкции тепловая труба выполнена в виде кольцевого цилиндра, внутренняя поверхность которого предназначена для восприятия солнечного излучения, сфокусированного концентратором, а наружная боковая снабжена продольными ребрами и служит для обогревания продуктами сгорания. В первом варианте 52 трубки нагревателя располагались в кольцевых канавках непосредственно в корпусе тепловой трубы, а ребра выполнялись накладными. Во втором (испытания начались в 1997 г.), — трубки нагревателя располагаются на торце тепловой трубы, а продольные ребра выполнены непосредственно в корпусе. Испытания 1996…1997 гг. показали, что термическое сопротивление всей системы при температуре нагревателя 923 К составляет ~100 К, тепловая труба переходит в изотермическое состояние при 773 К, время разогрева трубы камерой сгорания из холодного состояния ~25 мин. Причем, поскольку минимальная мощность камеры сгорания оказалась слишком велика, режим разогрева осуществлялся в импульсном режиме, — требовалось более 30 включений.

Интересная работа была выполнена совместно ЦНИДИ, ФЭИ (Обнинск) и СПбГМТУ по созданию натриевой тепловой трубы для двигателя мощностью 6 кВт (рис. 1) [7, с.229]. Конструкция выполнена по блочному принципу из испарителя и конденсатора, объединенных корпусом и капиллярно-пористой структурой. Натрий конденсируется непосредственно на гладких трубках, сбор и его возврат в испаритель осуществляются гравитационными и капиллярными силами. Испаритель представляет собой прямоугольный блок из 55 вертикальных тепловых трубок, расположенных в 8 рядов. Для выравнивания теплового потока тепловые трубки имеют кольцевые ребра, шириной в зависимости от номера ряда до 10 мм. Первые три ряда трубок ребер не имеют. Для уменьшения тепловых потерь в изоляцию продукты сгорания после испарителя поступают во внутренний кольцевой канал вокруг корпуса нагревателя.

Двигатель Стирлинг

Двигатель Стирлинг

Рис. 1. Двигатель Стирлинга с системой передачи теплоты в виде тепловой трубы модульного типа

Выполнен на базе холодильно-газовой машины ЗИФ-1001, одноцилиндровый, по β-схеме. Размеры цилиндров: рабочий — 10,1/5,2, вытеснитель — 13/3. Мощность 2,3 (кратковременно 6) кВт, частота вращения 1500 мин-1, рабочее тело — гелий, среднее давление 6 МПа. Теплообменные аппараты сведены в 14 блоков и расположены вокруг цилиндра. В каждом блоке 8 трубок нагревателя, регенератор и щелевой охладитель.

При проведении испытаний двигателя камера сгорания на газовом топливе также проходила контрольные и наладочные испытания. Конструкция ее совершенствовалась, теплофизические параметры огневого факела от пуска к пуску изменялись (1200…1700 К), длительность одного опыта ограничивалась ресурсом камеры и составляла в активном режиме не более 25…30 мин. Вследствие этого экспериментальные работы проводились в нестационарных условиях при значительном влиянии тепловой инерции всей системы. При проведении испытаний двигатель неоднократно выводился на 6 кВт электрической мощности. Однако, ввиду указанных причин, а также из-за недостаточной мощности камеры сгорания, эти режимы являлись нестационарными с длительностью, не превышающей 2…3 мин. На режиме запуска при температуре выше 550 К скорость прогрева составляла 5…7 К/мин. Длительная мощность при стационарной температуре в испарителе и нагревателе составила 2,3 кВт. Экспериментальные работы выявили значительный градиент температуры в паровом тракте (106…159 К). Причем на стационарных режимах тепловая труба разделяется фактически на две зоны с разными температурными уровнями — испаритель и нагреватель. В экспериментальных работах было обнаружено незнакомое явление, — неоднократно наблюдалось локальное увеличение скорости разогрева нагревателя при пуске двигателя, а также при резком набросе или сбросе нагрузки. В большинстве случаев температура нарастала скачком с изломом линии термограммы. Приведенные факты дают основание считать эти явления следствием инерционности газодинамических процессов, происходящих в паровом канале в присутствии неконденсирующегося газа.

Добавить комментарий

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