И люиом реальном двигателе все перечисленные выше факторы, а также и ряд других значительно снижают термический к. п. д. цикла по сравнению с к. п. д. в идеальном_цикле Карно. Эффективный к. п. д. составляет часть теоретического к. п. д. цикла Карно; это отношение называется относительным к, п. д., т. е.
_________ эффективный к. п. д.
Отн термический к. п. д. цикла Карио
В хорошо сконструированной машине значение этого коэффициента превышает 0,4.
Для иллюстрации рассмотренного выше идеального цикла предполагалось, что механическое устройство состояло из двух оппо — зитно расположенных поршней с помещенным между ними регенератором. Такая двухпоршневая машина является одной из разновидностей многочисленных конструкций; подробнее она будет рассмотрена несколько позже. Один из возможных вариантов двухпоршневой машины приведен на рис. 3-1. Это V-об — разный двигатель, поршни которого имеют общий коленчатый вал. Объемы сжатия и расширения расположены в полостях над поршнями и соединяются между собой каналом с имеющимися в нем регенератором и дополнительными теплообменниками.
При работе двигателя существенное отклонение от идеальности происходит вследствие непрерывного движения поршней в отличие от прерывистого движения для идеального случая. В результате цикл в р, У-диаграмме несколько видоизменяется; в этом случае он имеет вид непрерывной плавной замкнутой кривой, а четыре термодинамических процесса не имеют резких переходов (рис. 3-2).
Рис. 3-1. Схема двигателя Стирлиига с V-образиым расположением поршней. |
/ — полость расширения; 2 — Полость сжатия; 3 — регенератор; 4 — нагреватель; 5 — холодильник; 6 — подача горючего; 7 — подача воздуха; 8 — выхлоп продуктов сгорания топлива; 9 — вход воды; 10 — Выход воды; 11 — подогреватель воздуха. |
В реальном двигателе процессы сжатия и расширения в соответствующих полостях осуществляются неполностью, и поэтому представляется возможным изобразить три отдельные р, V-диаграммы: для полости сжатия, полости расширения и для суммарного объема с учетом мертвых объемов. Мертвый объем — это та часть общей рабочей полости, которая при работе двигателя не вытесняется ни одним из поршней. К мертвому объему относятся: зазоры между соответствующим поршнем и цилиндром, свободные объемы регене
ратора и теплообменников, объемы соединительных каналов и отверстий. Общая положительная работа за цикл характеризуется р, F-диаграммой полости расширения, а отрицательная (затраченная) работа сжатия за цикл — р, V-диаграммой полости сжатия. Разность площадей этих диаграмм есть полезная (индикаторная) работа за цикл, часть которой расходуется на компенсацию работы трения (механические потери), а остальная часть — это полезная механическая работа на коленчатом валу двигателя.
Для идеального цикла, в котором процессы сжатия и расширения протекают изотермически, а механические потери отсутствуют, разность площадей соответствующих р, ^/-диаграмм в точности равняется площади р, F-диаграммы для суммарного рабочего объема.
В)
Рнс. 3-2. Действительная р, ^-диаграмма двигателя Стирлинга.
А — диаграмма полости расширения; б — диаграмма полости сжатия; в диаграмма суммарного объема.
В реальном двигателе из-за наличия гидравлического сопротивления в регенераторе и теплообменниках, приводящего к разности давлений в полостях сжатия и расширения, такого равенства, естественно, не достигается. Гидравлическое сопротивление является чрезвычайно важным, поскольку оно уменьшает площадь р, F-диа- граммы; это влечет за собой уменьшение полезной работы (а следовательно, и эффективного к. п. д.) двигателя и снижение холодо — производительности и холодильного коэффициента холодильной машины (рис. 3-3).
Гармоническое движение поршней обусловливает циклическое перераспределение массы рабочего тела между различными температурными уровнями; в этом случае для общей массы рабочего тела невозможно построить наглядную Т, S-диаграмму. Такие Т, S— Диаграммы можно построить лишь для отдельных частичек рабочего тела, перемещающихся от одного температурного уровня к другому; однако удобного способа, объединяющего все эти многочисленные диаграммы, нет.
Неизотермичность процессов сжатия и расширения — другая важная причина отклонения действительного цикла от идеального. Так, вероятней всего, что в двигателе с частотой вращения около 1000 об/мин эти процессы ближе к адиабатическим (отсутствует тепло
обмен), чем к изотермическим (бесконечно большой коэффициент теплоотдачи). Для того чтобы процесс был наиболее близок к изотермическому, в двигателе часто используют специальные дополнительные теплообменники: нагреватель, примыкающий к полости расширения и служащий для подвода теплоты к рабочему телу, и холодильник, расположенный в зоне полости сжатия с целью отвода теплоты от рабочего тела (см. рис. 3-1). Несмотря на определенные улучшения условий теплообмена, наличие этих теплообменников имеет и некоторые негативные стороны. По всей вероятности, они увеличивают гидравлическое сопротивление, отрицательно сказывающееся на характеристиках двигателя, о чем уже говорилось выше. Далее, наличие указанных теплообменников вле-
Рнс. 3-3. Влияние гидравлического сопротивления на работу двигателя. А — диаграмма «давление—время» для изменяющихся давлений в полостях сжатия и расширения. Различие в давлениях — результат влияния гидравлического сопротивления в регенераторе и теплообменниках; б — р, V-диаграммы для полостей расширения и сжатия. Заштрихованная площадь р, V-диаграммы полости расширения характеризует работу, обусловленную сопротивлеинсм в регенераторе и теплообменниках. |
Чет за собой увеличение общего мертвого объема из-за свободных объемов нагревателя и холодильника, что имеет решающее влияние на характеристики регенеративных машин. Кроме того, нагревание рабочего тела происходит не только при его перемещении из регенератора в полость расширения, но также и при его обратном движении. Подобным же образом происходит и охлаждение рабочего тела как на входе, так и на выходе из полости сжатия. Возможны также и однопоточные системы, но они вносят дополнительные сложности в машину.
Совместное рассмотрение влияния увеличения гидравлического сопротивления и свободных объемов (с учетом цены, размеров и массы) приводит к компромиссному решению конструкции теплообменников. В результате может иметь место значительное расхождение между температурами нагревания (температура продуктов сгорания топлива), температурой охлаждения (температура воды или воздуха) и температурой рабочего тела. Это показано на рис. 3-4. Такое распределение температур можно считать типичным для регенеративного двигателя, где источником теплоты служит природное топливо, а для охлаждения используется вода. В этом случае тем
пературы продуктов сгорания и охлаждающей воды соответственно равны 2800 и 280 К — Предельная температура, ограничивающая применение конструкционных материалов (термический предел) для расширительного цилиндра и нагревателя, составляет около 1000 К — Это означает, что между продуктами сгорания и стенкой цилиндра имеется резкий температурный градиент (2800—1000 К), что способствует достижению высоких коэффициентов теплоотдачи. Кроме того, если температурные градиенты между рабочим телом и полостями расширения и сжатия соответственно равны 100 и 50 К, то можно считать, что диапазон изменения температуры рабочего тела в цикле составляет от 280 + 50 = 330 К до 1000—100 = 900 К — Несмотря на то что термический к. п. д. для системы с циклом Карно (или Стирлинга) может быть подсчитан как
2800 |
%== 2800 — 280 ,100о/о=^.|00о/о=90о/О[
2800
Будет более правильным вычислить его следующим образом:
Данный пример характеризует одну из главных причин, затрудняющих использование двигателей Стирлинга в коммерческих целях: для него, как и для газовой турбины, основной вопрос — это вопрос конструкционных материалов. Некоторые части двигателя (нагреватель и полость расширения) постоянно подвергаются воздействию высокой температуры, и это обстоятельство накладывает ограничение на ^использование конструкционных материалов в указанных узлах двигателя.
Допустимые значения температуры рабочего тела в двигателе Стирлинга меньше допустимых значений температуры двигателей внутреннего сгорания, работающих по циклам Отто или Дизеля, где воздействие максимальных температур в цикле кратковременное. Таким образом, хотя регенеративные циклы при заданных температурах термодинамически более эффективны, чем циклы Отто или Дизеля, практически они сравнимы
200-
Рис. 3-4. Характерное распределение температур в двигателе Стирлинга, в котором для нагревания используется природное топливо, а для охлаждения — вода.
/ — температура продуктов сгорания; 2 — температура стеиок нагревателя; 3 — средняя температура полости расширения; 4 — средняя температура полости сжатия; 5 — температура охлаждающей воды и стеиок холодильника.
С газовыми (или нефтяными) двигателями, работающими при существенно больших перепадах температур.
Не все количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива, может быть передано рабочему телу, поскольку в противном случае потребовался бы очень громоздкий нагреватель. Выбрасываемые горячие выхлопные газы — это прямые потери теплоты, поскольку платить приходится за всю энергию, содержащуюся в жидком горючем или в газе, но полезно не используемую полностью в двигателе. Поэтому другим важным дополнительным теплообменником является подогреватель воздуха, предназначенный для подогрева поступающего в двигатель воздуха от теплоты выхлопных газов. Этот теплообменник может быть как рекуперативного, так и регенеративного типа. В рекуперативном теплообменнике два потока газа — выхлопные газы и поступающий в двигатель воздух разделены стенками каналов. В регенеративном теплообменнике происходит попеременное чередование газовых потоков при прохождении их через одну и ту же насадку регенератора; обычно это противоточные теплообменники. Важно тщательно различать регенеративный теплообменник, являющийся неотъемлемой частью двигателя, и рекуперативный (или регенеративный) теплообменник, выполняющий лишь вспомогательную роль подогревателя воздуха в двигателе.
Итак, непрерывное возвратно-поступательное движение отдельных узлов двигателя, неизотермичность процессов сжатия и расширения, ограниченная возможность теплопередачи в холодильнике и нагревателе, потери теплоты с выхлопными газами, наличие гидравлического сопротивления — вот главные причины, ограничивающие в большинстве случаев возможности конструкторов осуществить желаемое в реальном двигателе Стирлинга. Этому есть и другие причины: неудовлеторительная работа регенератора, большие механические потери, выравнивание температур как следствие относительно массивных теплопроводных частей двигателя и утечки рабочего тела, обусловленные несовершенством конструкции или неудовлетворительной работой уплотнений.