Цикл Стирлинга, приведенный отношениях более простым, чем
А)
Полость Регенератор Полость расширения Г сжатия |
На рис. 2-3, является в некоторых цикл Карно.
Рассмотрим цилиндр, имеющий два противоположно расположенных поршня с помещенным между ними регенератором. Регенератор можно рассматривать как некую термодинамическую «губку», обладающую способностью поочередно поглощать и отдавать теплоту. Chi представляет собой металлическую ~ насадку, состоящую из отдельных тонких проволочек или полосок. Один из двух объемов, расположенный между регенератором и поршнями, называемый полостью расширения, находится при высокой температуре Тмакс. Другой объем, находящийся при низкой температуре Тмин, называется полостью сжатия. Следовательно, температурный градиент между торцевыми поверхностями регенератора равен Гмакс — Гмин; в продольном направлении предполагается, что материал насадки имеет нулевую теплопроводность. Здесь так же, как и в цикле Карно, прини-
Рис. 2-3. Цикл Стирлинга.
А — р, V- н Т, S-диаграммы; б — положения поршней в основных точках цикла; в — диаграмма «время — перемещение».
Мается, что движение поршней происходит без трения и без утечек рабочего тела, находящегося между поршнями.
Предположим, что в начале цикла поршень полости сжатия находится в верхней мертвой точке, а поршень полости расширения — в нижней мертвой точке, около торцевой поверхности регенератора. В таком положении все рабочее тело находится в холодной полости сжатия. Его объем максимальный, а давление и температура минимальные; это соответствует точке 1 на р, V- и Т, S-диаграммах (см. рис. 2-3). Во время процесса сжатия (1-2) правый поршень движется по направлению к нижней мертвой точке, а поршень полости расширения остается неподвижным. Рабочее тело сжимается в полости сжатия, и давление его увеличивается. Температура остается постоянной, так как теплота Qc отводится от полости сжатия в окружающую среду.
В процессе 2-3 оба поршня движутся одновременно: поршень полости сжатия к регенератору, а поршень полости расширения — от регенератора. Движение поршней происходит таким образом, что объем между ними остается постоянным. Вследствие этого рабочее тело, проходя через пористую насадку регенератора, переходит из полости сжатия в полость расширения. При прохождении через регенератор температура рабочего тела за счет теплоты насадки повышается от Тмин до Тмакс. Постепенное увеличение температуры газа при прохождении его через насадку регенератора при постоянном объеме вызывает повышение его давления.
В процессе расширения 3-4 левый поршень продолжает двигаться от регенератора в направлении верхней мертвой точки; правый поршень полости сжатия остается неподвижным в нижней мертвой точке, вблизи регенератора. Поскольку это процесс расширения, то с увеличением объема газа давление его уменьшается. Температура рабочего тела остается постоянной, поскольку теплота Qe подводится к системе от внешнего источника.
Последний процесс в цикле 4-1, во время которого поршни движутся одновременно так, чтобы возвратить рабочее тело при постоянном объеме через насадку регенератора из полости расширения в полость сжатия. При прохождении газа через насадку регенератора теплота от рабочего тела передается материалу насадки и вследствие этого температура рабочего тела уменьшается и достигает Тмин — температуры полости сжатия. Теплота, переданная в этом процессе, сохраняется в насадке и передается рабочему телу в процессе 2-3 следующего цикла.
Таким образом, цикл состоит из четырех процессов: 1-2 — процесс изотермического сжатия, теплота от рабочего тела с температурой Гмии передается окружающей среде; 2-3 — процесс при постоянном объеме, теплота от насадки регенератора передается рабочему телу; 3-4 — процесс изотермического расширения, теплота от внешнего источника с температурой Тмакс передается ребочему телу; 4-1 — процесс при постоянном объеме, теплота от рабочего тела передается насадке регенератора.
Если количества теплоты в процессах 2-3 и 4-1 одинаковы, то теплообмен между двигателем и окружающей средой осуществляется путем подвода и отвода теплоты соответственно при Тмакс и Тмии. Такие условия подвода и отвода теплоты при постоянных температурах удовлетворяют выводам второго закона термодинамики для максимального термического к. п. д. цикла; вследствие этого термический коэффициент полезного действия цикла Стирлинга такой же,
Рис. 2-4. Циклы Стирлинга и Карно. Приведенные циклы даны для одних и тех же значений максимальной и минимальной температур, давлений и объемов. Заштрихованные площади на р, V- и Т, S-диаграммах характеризуют соответственно прирост внешней работы и увеличение количества теплоты в цикле Стирлинга.
Как и для цикла Карно, т. е. Rj = (Тмакс — Тмии)/Тмакс. Основное преимущество цикла Стирлинга перед циклом Карно заключается в замене двух изоэнтропических процессов двумя процессами при постоянном объеме, что существенно увеличивает площадь на р, У — диаграмме. Поэтому для получения достаточной работы в цикле Стирлинга не требуется создавать очень высокие значения давлений и вытесняемых объемов, как в случае цикла Карно.
Рис. 2-5. Циклы Эриксона и Карно. Приведенные циклы даны для одних и тех же значений максимальной и минимальной температур, давлений и объемов. Заштрихованные площади характеризуют соответственно прирост внешней работы и увеличение количества теплоты в цикле Эриксона.
Сравнение р, У-диаграмм циклов Карно и Стирлинга для заданных давлений, температур и объемов приведено на рис. 2-4. Заштрихованные площади 5-2-3 и 1-6-4 представляют дополнительную работу, полученную вследствие замены изоэнтропических процессов процессами при постоянных объемах. Изотермические процессы 1-5 И 3-6 цикла Карно продлены, с тем чтобы получить процессы 1-2 И 3-4; таким образом, количество подводимой и отводимой теплоты в цикле Стирлинга увеличивается пропорционально полученной работе. Доля подводимой теплоты, превращенной в работу (терми-, ческий к. п. д. цикла), одинакова для обоих циклов.