Проблемы двигателей Стирлинг

Двигатели Стирлинга: проблемы XXI века.

С. П. Столяров,

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Часть 3. Системы подвода теплоты.

Рассматриваются мероприятия, предпринимаемые для повышения КПД внешнего нагревательного контура двигателей Стирлинга, обсуждавшиеся в публикациях последних лет. Выделена проблема применения систем передачи теплоты к нагревателю двигателя на базе тепловой трубы с жидкометаллическим теплоносителем. Приведены сведения о низкотемпературных двигателях утилитарного назначения, в том числе Стирлинг-насосов на солнечной энергии. Табл. 1. Ил. 2. Библиогр. 15 назв.

1. Организация процесса во внешнем контуре.

На сегодняшний день известно несколько способов увеличения КПД внешнего нагревательного контура: подогрев воздуха уходящими газами в преднагревателе, внутренняя рециркуляция в камере сгорания, оптимизация температуры нагревателя, увеличение площади тепловоспринимающей поверхности.

Преднагреватель является наиболее эффективным средством и применяется почти во всех двигателях с высокой степенью доводки. Он позволяет уменьшить потери с уходящими газами и обеспечить температуру выхлопа 430…500 К. Помимо рекуперативной функции преднагреватель способствует увеличению коэффициента избытка воздуха и массового расхода продуктов сгорания. Это обстоятельство оказывается существенным, поскольку приводит к интенсификации теплообмена на тепловоспринимающей поверхности. В двигателях на низкокалорийных топливах (биомассе), проявляется еще одно достоинство преднагревателя, — способность обеспечить увеличение температуры в камере сгорания, повысить стабильность параметров горения и увеличить долю теплоты, воспринимаемую нагревателем. Все эти факторы дают возможность значительно увеличить мощность и КПД двигателей на биомассе, приблизив их вплотную к значениям, характерным для двигателей на газовом или жидком топливе [14, с.140].

В двигателях, предназначенных для подводных лодок, в качестве окислителя применяют кислород, причем практически при стехиометрическом соотношении. Использовать преднагреватель в них практически невозможно, при этом главной проблемой является чрезвычайно высокая температура пламени. Один из возможных путей решения проблемы, — создание трехкомпонентной камеры сгорания с впрыском воды или подачей холодного инертного газа. Такие решения были освоены, в частности, при создании торпед, однако для двигателя, одним из главных качеств которого является экономичность, не пригодны. Фирма United Stirling решила эту задачу для двигателя V4-275R, применив систему внутрикамерной рециркуляции продуктов сгорания. Основными элементами системы являются эжекторы с кислородными соплами. Они располагаются радиально и равномерно по окружности вокруг топливной форсунки в кольцевом объеме непосредственно над нагревателем. Отсос газов, вышедших из нагревателя, осуществляется непосредственно из кольцевого объема под ними. Таким образом гидравлическое сопротивление, которое необходимо преодолевать эжекторам, складывается из сопротивления двух рядов трубок нагревателя и поворота потока в газовом объеме суммарно на 360º. Сопротивление в выполненных образцах оказалось невелико (несколько кПа), и в итоге кинетической энергии кислорода оказалось достаточной, чтобы обеспечить возврат продуктов сгорания к форсунке с коэффициентом рециркуляции ~3…4. Помимо необходимой температуры газов (~2300 К) при таком решении удачным оказывается объемный состав смеси перед форсункой, — доля кислорода составляет около 20 %. Применение рециркуляции не предполагает утилизирования теплоты уходящих газов, однако потеря с газами составляет около 15 %. Ее относительно небольшая величина объясняется тем, что здесь до минимума сокращается расход уходящих продуктов сгорания. [5, с.42]

В двигателе Mod I и его модификациях система внешнего контура базируется на обоих изложенных способах. Применение более мощного вентилятора (до 7 кПа) позволило организовать внутреннюю рециркуляцию, подавая в сопла свежий воздух. Десять сопел располагаются тангенциально и обеспечивают равномерное перемешивание и закрутку топливо-воздушной смеси. Минимальный расход выхлопных газов и их предварительное охлаждение на сегодняшний день делает такую схему наиболее экономичной, сообщается также, о ее хороших экологических показателях [6, с.863].

Некоторые разработчики двигателей Стирлинга рассчитывают повысить привлекательность их разработок за счет дешевизны и простоты (Sunpower Inc., Viebach) [11], [13, с.61], [15, с.155]. Такие двигатели, как правило, не имеют преднагревателей. Единственным способом повысить их экономичность по внешнему контуру остается только уменьшение температуры нагревателя, и вместе с этим, уменьшение температуры и теплоты уходящих газов [15, с.219]. Исследования показали, что оптимальная величина температуры нагревателя определяется многими факторами, прежде всего эффективностью двигателя, размерами нагревателя, температурой (ТКС) и расходом продуктов сгорания. Для оценочных расчетов можно использовать соотношение, полученное автором

ТН ≈ 230 + 0,4·ТКС (К).

Подобная проблема стоит и при разработке двигателей утилизаторов. Однако в этом случае, как правило, предполагаются большие мощности и, как следствие, многоцилиндровые двигатели [9, с.275]. В них, для того чтобы приблизить температуру нагревателя к температуре греющего газа, целесообразно организовать последовательное прохождение газов по нагревателям отдельных цилиндров. Каждый цилиндр при этом, подобно паровым машинам многократного расширения, будет работать в индивидуальных условиях. Однако, в отличие от паровых машин, здесь нет принципиальной необходимости выполнять цилиндры и их теплообменные аппараты различными. По исследованиям автора статьи при начальной температуре греющего газа 725 К и четырехцилиндровом двигателе двойного действия мощность по цилиндрам различается в 10 раз (таблица 1). На соответствующую величину различаются по цилиндрам перепады давления в системе контуров, и как следствие, нагрузки на детали движения. Еще одной проблемой таких двигателей является неравномерность вращения коленчатого вала, размер маховика оказывается значительно больше, чем для двигателя обычного типа.

Таблица 1

Распределение параметров по цилиндрам двигателя-утилизатора.

Температура на входе — 725 К, на выходе — 453 К.

Номер цилиндра

1

2

3

4

Температура нагревателя, К

606

533

465

403

Доля воспринятой теплоты, %

28,0

26,0

24,2

21,8

Эффективная мощность, %

44,3

31,6

19,7

4,4

Эффективный КПД, %

30,2

23,3

15,5

3,8

Если же двигатель-утилизатор выполнить с различными рабочими контурами, то, как показывают результаты работ по созданию низкотемпературных двигателей, предпочтение должно быть отдано рабочим контурам с процессом по β-схеме, в которых диаметр вытеснителя значительно больше диаметра рабочего поршня.

Увеличение тепловоспринимающей поверхности внешнего контура по отношению к поверхности нагревателя возможно либо посредством оребрения, либо путем применения cистемы передачи теплоты с промежуточным теплоносителем. Первый способ применяется достаточно часто, его используют фирмы Kockums, TEM, Sanyo, Whisper. Для высокотемпературных нагревателей главные проблемы оребрения технологические. Как правило, оребряется наружный ряд трубок, омываемый газами, отдавшими уже значительную долю теплосодержания. В двигателях на угле и биомассе проявляется еще одна проблема, — размеры ребер выбираются так, чтобы уменьшить до минимума вероятность засорения теплообменной поверхности [10, с.525].

Применение тепловых труб рассмотрено ниже. Отметим только, что для двигателей с камерами сгорания обычного типа, мотивация применения тепловых труб включает несколько причин, в том числе исходящих от внешнего контура: увеличение поверхности нагрева, возможность поднять температуру в камере сгорания, увеличение удельного теплового потока в нагревателе.

Добавить комментарий

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