|
О ветряках---->
Книги о ветряках и других источниках энергии
Машины, работающие по циклу Стирлинга
Уокер Г.
ГЛАВА ПЕРВАЯ ВВЕДЕНИЕ
1-1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Машина, работающая по циклу Стирлинга, представляет собой устройство с замкнутым термодинамическим регенеративным циклом, в котором циклические процессы сжатия и расширения осуществляются при различных уровнях температуры, а управление потоком рабочего тела происходит путем изменения его объема; на этом принципе основано превращение теплоты в работу или наоборот.
Существуют машины, работающие по открытому регенеративному циклу, где управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов. Точнее, такие машины работают по циклу Эриксона, но на практике различие между ними не слишком существенно и ввиду этого определение «машина Стирлинга» часто относится ко всем без исключения типам регенеративных машин. Это-обобщенное название большого семейства машин с самыми разнообразными функциями, характеристиками и конструкциями. В это семейство входят как ротационные, так и поршневые машины, в конструкции которых используются механизмы различной сложности. Все эти машины способны работать как двигатели, тепловые насосы, генераторы давления и холодильные установки.
1-2. РАЗЛИЧНЫЕ НАЗВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ
Двигатели Стирлинга часто имеют и другие названия, как, например, тепловые воздушные или тепловые газовые двигатели; присваивают им и специфические названия: двигатели Хейнричи (Heinrici), Робинсона (Robinson) или Ренкина — Напира (Renkine — Napier). В результате это приводит к нечеткости терминологии. Можно убедительно показать, что выражение «цикл Стирлинга» применимо только для идеального термодинамического цикла а название «двигатель Стирлинга» — для определенной разновидности машины, которая, кстати сказать, не работает по циклу Стирлинга — положение, не проясняющее данный вопрос. С точки зрения принципа действия рассматриваемого двигателя наиболее правильным было бы название «тепловая регенеративная машина», но вводить в настоящее время этот термин слишком поздно; поэтому в дальнейшем во всех случаях по-прежнему будет широко использоваться название «двигатель Стирлинга». Четкое различие всегда можно сделать лишь между теми машинами, в которых управление потоком рабочего тела осуществляют либо путем изменения его объема (двигатели Стирлинга), либо с помощью клапанов (двигатели Эриксона). Сделать это можно на том основании, что они имеют совершенно различные характеристики.
1-3. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ
Двигатели Стирлинга и Эриксона имеют длинную историю, которая была детально изучена Финкельштейном (1959 г.)
Машины конца XVIII в. можно считать первенцами тепловых воздушных двигателей, но их основное развитие относится к началу XIX в. Первым работающим двигателем такого типа был, вероятно, тепловой воздушный двигатель открытого цикла, построенный Георгом Кайлеем (George Cayley) в 1807 г. Приблизительно в 1816 г. Робертом Стирлингом (Robert Stirling), священником из Шотландии, был изобретен тепловой двигатель с регенерацией, работавший по замкнутому циклу. Позднее, шведский изобретатель Джон Эриксон (John Ericsson), работавший в Англии, сконструировал регенеративный тепловой двигатель открытого цикла. Впоследствии в течение всего XIX в. в Англии, Европе и США широко использовались тысячи подобных двигателей самых разнообразных форм и габаритов. Они были надежными, достаточно эффективными и, что самое важное, безопасными по сравнению с современными паровыми машинами. Мощность этих двигателей была небольшая — от 0,185 до 3,7 кВт (от 0,25 до 5 л. с), но строились также и более мощные. Возможно, что наиболее интересным был двигатель, построенный Эриксоном в 1853 г. для морского судна. Двигатель имел четыре цилиндра и при диаметре поршней 4,27 м, ходе 1,52 м, частоте вращения 9 об/мин развивал мощность около 220 кВт (300 л. с). Двигатель был установлен на корабле «Эриксон», впоследствии опрокинутом штормом в нью-йоркском порту.
Приблизительно в середине XIX в. был изобретен двигатель внутреннего сгорания; его последующее развитие в виде бензиновых двигателей и дизелей наряду с изобретеннным в это же время электродвигателем явилось причиной резкого уменьшения использования двигателей Стирлинга, и к 1914 г. они уже практически не применялись. Однако производство двигателей Стирлинга специального назначения, как, например, двигателей, работавших на керосине и служащих приводом для вентиляторов, которые использовались в тропических странах, продолжалось в Англии по крайней мере до 1946 г., а модели этих двигателей выпускаются до сих пор.
1-4. ДВИГАТЕЛИ ФИРМЫ «ФИЛИПС»
Начало исследовательских работ по двигателям Стирлинга было положено в лабораториях фирмы «Филипс» в Эйндховене в конце 30-х годов; с этого момента в их развитии наблюдается непрерывный прогресс. Вначале эти работы были направлены на разработку двигателей для небольших электрогенераторных установок, предназначенных для питания радиоаппаратуры и другого подобного оборудования для использования в отдаленных районах земного шара, где аккумуляторные электробатареи были малодоступны.
Последующее развитие радиоламп и аккумуляторов и в особенности использование транзисторов уменьшили потребность в небольших электрогенераторных установках. Однако к этому времени были достигнуты уже значительные успехи, способствующие дальнейшим исследованиям, в которых особое значение придавалось развитию двигателей большой мощности. Эти исследования включали экспериментальные разработки двигателей различной мощности до 330 кВт (450 л. с.) с более интересными характеристиками, чем у существующих двигателей внутреннего сгорания. К основным преимуществам двигателя Стирлинга фирмы «Филипс» следует отнести малый уровень шума и малую степень загрязнения воздуха выхлопными газами при значениях эффективного к. п. д. и удельной мощности сравнимых или лучших, чем у бензиновых двигателей или дизелей. Именно это сочетание характеристик, отвечающее все возрастающей заботе людей об окружающей среде, усилило внимание к использованию двигателей Стирлинга в транспорте. Проводимые в настоящее время интенсивные исследования и разработки направлены на создание более совершенного прототипа двигателя для транспорта и связанных с ним систем.
Направления научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ фирмы «Филипс» были изложены доктором Мейером (Meijer) в 1969 г.
Другие работы по двигателям Стирлинга, проводившиеся фирмой «Дженерал моторс» (General Motors) с 1958 по 1970 г. по лицензиям фирмы «Филипс», детально описаны доктором Хефиером (Heffner) в 1965 г. По более поздним лицензиям фирмы «Филипс» работают группа по изучению двигателя Стирлинга МАН — МВМ (М.А. N. —M.W.M.), созданная в 1967 г. в ФРГ, и шведский консорциум «Юнайтед Стерлинг АВ» (United Stirling АВ), образованный в 1968 г. Краткая сводка о деятельности этих двух фирм приведена Ниленом (Neelen) и др. (1971 г.). В настоящее время обсуждаются и другие лицензионные соглашения.
1-5. ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Двигатели Стирлинга хорошо работают и в режиме холодильных машин. Эти возможности были впервые выявлены «еще в 1834 г. Джоном Хершелем (John Hersehel), а в 1876 г. Александр Кирк (Alexander Kirk) дал описание машины, которая работала в течение 10 лет. Но тем не менее только в конце 1940-х годов была сделана серьезная попытка использовать холодильные машины, работающие по циклу Стирлинга, в коммерческих целях. И снова за решение этой задачи взялась фирма «Филипс» в Эйндховене. Первая холодильная машина для ожижения воздуха была изготовлена в 1955 г. С тех пор интенсивные работы в этой области привели к созданию целого ряда криогенных газовых машин с широким диапазоном по холодопроизводительности, и в настоящее время такие машины выпускаются как для проведения различных криогенных научных исследований, так и для промышленных целей. Холодильные машины, работающие по обратному циклу Стирлинга, наиболее эффективны в диапазоне криогенных температур (очень низкие температуры), в более высоком диапазоне температур (низкие температуры, используемые в промышленности и в быту) в настоящее время главным образом работают фреоновые парокомпрессионные холодильные машины.
Некоторые фирмы, в том числе такие, как «Малакер и Хьюз эйркрафт», США (Malakar Labs Inc., Hughes Aircraft Co.) выпускают для продажи небольшие (или даже миниатюрные) криогенные машины. Эти компании совместно с Северо-Американским отделением фирмы Филипс (North American Philips Inc.), специализирующиеся на производстве миниатюрных охладителей, считают своей основной целью производство небольших криогенных машин для электронной промышленности, где они используются в основном для охлаждения инфракрасных детекторов, применяемых в различных военных и гражданских целях.
Получили развитие и другие поршневые регенеративные криогенные машины, в частности ожижитель гелия Коллинза (Collins), разработанный фирмой «А. Д. Литтл инкорпорейшн» (A. D. Little Inc.), а также машины, работающие по принципу. Джиффорда — Мак-Магона (Gilford — McMahon). Во всех этих машинах имеются клапаны, и в соответствии с ранее принятым определением они должны быть отнесены к машинам, работающим по циклу Эриксона; в дальнейшем они здесь рассматриваться не будут. Из этого, конечно, не следует, что указанные машины не представляют интереса. Разработанная Коллинзом (Samuel Collins) в Массачусетском технологическом институте (MIT) простая, дешевая и надежная расширительная машина, позволившая получать жидкий гелий, является одним из важных достижений криогенного машиностроения, что открывает широкие возможности к всесторонним исследованиям с гелием. В будущем это может обеспечить прогресс в деле использования сверхпроводимости в линиях электропередачи и в электронике.
Было проведено много исследований и по двигателям Стирлинга, но они пока не привели к какому-либо коммерческому воплощению, хотя и внесли существенный вклад в их развитие, главным образом в классическую теорию, что нашло отражение в работах Финкельштейна (Finkelstein), Смита (Smith) и Уокера (Walker).
Stirling-cycle machines G. WALKER
Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга. "СКАЧАТЬ"
|
