Машины, работающие по циклу Стирлинга
Опубликовано: 03.09.2018
Мощный двигатель Стирлинга
Уокер Г. М. - Энергия, 1978 г.
| Поделиться этой страницей в: |
Книга посвящена новому перспективному типу тепловых машин — двигателям Стирлинга, находящим применение в энергетических и холодильных установках, тепловых насосах, а также различных транспортных и технологических устройствах. Дай термодинамический анализ цикла Стерлинга. Рассмотрены варианты конструктивного выполнения двигателей Стирлинга с регенерацией и без нее, даны методы их расчета. Даны рекомендации по применению двигателей Стирлинга в различных отраслях техники.
Книга предназначена для инженеров-теплотехников, разрабатывающих и исследующих тепловые машины.
Рассмотрены их различные конструкции, даны методы расчёта. Даны рекомендации по применению двигателей Стирлинга в различных отраслях техники.
Одна из немногих книг на русском языке по данной тематике.
Скачать книгу - "Машины, работающие по циклу Стирлинга", Уокер Г. М. - Энергия, 1978 г. - (1,9 Мб.)
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие Глава первая. Введение 1-1. Определение 1-2. Различные названия двигателей 1-3. Краткая история 1-4. Двигатели фирмы "Филипс" 1-5. Холодильные машины Глава вторая. Идеальные термодинамические циклы 2-1. Некоторые элементарные положения 2-2. р, V- и Т-, S-диаграммы 2-3. Цикл Карно 2-4. Цикл Стирлннга 2-5. Цикл Эриксона 2-6. Цикл Стирлинга для теплового двигателя 2-7. Цикл Стирлинга для холодильной машины 2-8. Тепловой насос с циклом Стирлннга 2-9. Генератор давления с циклом Стирлинга 2-10. Выводы Глава третья. Действительный регенеративный цикл двигателя 3-1. Идеальный цикл 3-2. Действительный цикл Глава четвертая. Теоретический анализ систем с циклом Стирлннга 4-1. Идеальный цикл Стирлинга 4-2. Цикл Шмидта 4-3. Основные уравнения 4-3-1. Среднее давление цикла 4-3-2. Передаваемая теплота и производимая работа 4-3-3. Полость расширения 4-3-4. Полость сжатия 4-3-5. Распределение массы рабочего тела в машине 4-3-6. Отводимая теплота холодильной машины и выходная мощность двигателя в безразмерных единицах 4-3-7. Дальнейшее усовершенствование теоретического анализа Глава пятая. Предварительный расчет 5-1. Основные конструктивные параметры 5-2. Некоторые расчетные уравнения цикла Шмидта 5-3. Оптимизация параметров компоновки 5-4. Результирующие графики 5-5. Рабочее тело Глава шестая. Классификация механических систем 6-1. Введение 6-2. Конструктивные разновидности машин Стирлинга 6-2-1. Одноцилиндровые машины вытеснительного типа 6-2-2. Двухцилиндровые машины вытеснительного типа 6-2-3. Миогопоршиевые машины 6-2-4. Сравнение многоцилиидровых машин с машинами вытеснительного типа 6-2-5. Сравнение одноцилиндровых и многоцилиидровых машин вытеснительного типа 6-3. Конструктивные разновидности машин Эриксона Глава седьмая. Регенеративные теплообменники в машинах Стирлинга 7-1. Введение 7-2. Идеальный регенератор 7-3. Реальный регенератор 7-4. Теоретические основы работы регенератора 7-5. Рабочие условия 7-6. Обсуждение результатов 7-7. Применение теории к регенерации в машинах Стирлинга 7-8. Экспериментальные данные 7-9. Практические рекомендации по конструкции регенератора 7-10. Двигатели 7-11. Криогенные газовые машины 7-12. Некоторые данные по теплообмену и гидравлическому сопротивлению проволочных сеток с плотными ячейками Глава восьмая. Программа фирмы «Филипс» 8-1. Ранний этап развития 8-2. Двигатели 8-3. Криогенные газовые машины 8-4. Лицензии фирмы «Филипс» Глава девятая. Применение машин, работающих по циклу Стирлинга 9-1. Достоинства 9-2. Недостатки 9-3. Перспективы применения 9-3-1. Автомобильные двигатели 9-3-2. Криогенные газовые машины 9-3-3. Рефрижераторные установки 9-3-4. Электрогенераторы малой мощности 9-3-5. Двигатели для морских судов 9-3-6. Подводные энергетические системы 9-3-7. Солнечные энергетические установки 9-3-8. Новые области применения и использование двигателей Стирлинга в учебных целях 9-3-9. Механический привод в аппаратах «искусственное сердце» 9-3-10. Привод электрогенераторов в ядерных энергетических установках 9-3-11. Универсальные энергетические системы Глава десятая. Направления исследований 10-1. Свободнопоршневые двигатели Била 10-2. Гибридный двигатель со свободным вытеснителем и кривошипноно-шатунным приводом рабочего поршня 10-3. Двухкомпонентные двухфазные рабочие тела 10-4. Машина Вюлемьера 10-5. Некоторые вопросы, относящиеся к исследованиям в области регенераторов и теплообменников Глава одиннадцатая. Некоторые рекомендации Список литературы Список рекомендуемой литературы Предметный указатель ПРЕДИСЛОВИЕВ условиях роста населения Земли и бурного развития энергетики как основы технического прогресса, связанного с интенсивной разработкой, эксплуатацией и истощением природных энергетических ресурсов и, как следствие этого, с ощутимым изменением и загрязнением биосферы Земли, отражающимся в конечном итоге на здоровье-людей, перед наукой возникает неотложная проблема: найти другие пути получения энергии, избавить современную энергетику от потребления органического топлива с целью уменьшения отрицательного воздействия на окружающую среду.
Новое отношение к использованию природных ресурсов и к состоянию окружающей среды является в настоящее время важной экономической необходимостью, вытекающей из ограниченности запасов минерального топлива в недрах Земли и ограниченной воспроизводимой мощности земной атмосферы. Например, добыча нефти началась немногим более ста лет назад (1857 г.; в промышленных масштабах — с 1880 г.), и прошло всего около ста лет после промышленного получения электроэнергии и изобретения двигателя внутреннего сгорания и менее пятидесяти лет с начала промышленного использования газовых турбин (конец 30-х годов текущего столетия), а энергетический кризис 1973 г. в западных странах дал реально почувствовать, что запасы ископаемого топлива, и прежде всего жидкого, не безграничны.
В обозримом будущем СССР не угрожает энергетический кризис, который уже сегодня ощутим для ряда стран. Тем не менее использование в будущем новых технических средств по сравнению с существующими, потребляющими в основном ископаемое топливо, будет несомненно способствовать существенной его экономии и сохранению окружающей среды.
Известно, что получение и преобразование энергии неизбежно сопровождается теми или иными загрязнениями среды, причины возникновения которых в настоящее время рассматриваются в самом широком аспекте. Главные источники загрязнения биосферы Земли — промышленные предприятия, электростанции и транспортные системы, а одна из основных причин загрязнения — процессы сжигания каменного угля, нефти и нефтепродуктов и других видов топлива . Наряду с загрязнением воздуха, воды и почвы ухудшение состояния окружающей среды связано также и с чрезмерным увеличением уровня шума, вибрации, рассеивания теплоты. В соответствии с последними оценками ежегодно в атмосферу выбрасывается от 960 до 2600 млн. т твердых частиц и частиц, образующихся при выхлопе газов. Экологические изменения, происшедшие на планете в основном за последние 50 лет, становятся все ощутимее, и природе все труднее нейтрализовать и сохранять в своих недрах отходы промышленного производства Цивилизация общества имеет тенденцию к увеличению потребления энергии во всех ее видах с удвоением приблизительно через каждые 10 лет, в связи с этим будет возрастать и загрязнение окружающей среды.
Современная энергетика решает не только чисто энергетические проблемы, она охватывает все многообразие методов получения и практического применения различных видов энергии для промышленных и бытовых нужд. С этих позиций важно отметить, что такие маломощные преобразователи энергии, как двигатели внутреннего сгорания (использующиеся в передвижных и стационарных энергоустановках, в транспортных системах и т. п.), являются в настоящее время самыми распространенными потребителями энергии, а, следовательно, и одними из главных источников загрязнения окружающей среды. Двигатель средней мощности за год работы (на автомобиле) выделяет с выхлопными газами около 1 т токсичных веществ в различных соединениях: окись углерода, окислы азота, несгоревшие углеводороды, альдегиды, свинец и его соединения и др. В США на долю этих двигателей приходится до 20% всей потребляемой страной энергии (нефти и нефтепродуктов) и 60% всего количества веществ, загрязняющих атмосферу. Подобное положение наблюдается и в других промышленно развитых странах. В качестве мер борьбы с загрязнениями различного рода, вызванными современными двигателями, многими странами разработаны новые, более жесткие требования к составу выхлопных газов и уровню шума. Однако затраты на усовершенствование процессов сгорания (послойное образование рабочей смеси и т. п.), очистку и нейтрализацию токсичных составляющих выхлопных газов, на снижение шума до уровня настоящих и будущих требований значительны, а реализация практического контроля многочисленного городского транспорта — дело чрезвычайно сложное и практически малореальное.
Наиболее показательными примерами последствий влияния загрязнений атмосферного воздуха на организм человека служат описанные в научной литературе случаи отравления людей в долине реки Маас (Бельгия) в 1930 г., в Доноре (штат Пенсильвания, США) в 1948 г. и в Лондоне в декабре 1952 г. С загрязнением атмосферного воздуха ряд ученых связывают и рост частоты возникновения злокачественных новообразований в легких.
В СССР решение проблемы охраны окружающей среды всегда носило общегосударственный плановый характер. Уже первые декреты советской власти заложили основы рационального использования природных ресурсов страны. С целью усиления охраны внешней среды 29 декабря 1972 г. было принято важное Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об усилении охраны природы и улучшении использования природных ресурсов». В «Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976—1980 годы» говорится: «Усилить работы по созданию транспортных и других средств, обеспечивающих уменьшение загрязнения воздушного бассейна выхлопными газами». Государственный подход СССР к охране окружающей среды закреплен 18 статьей новой Конституции СССР, принятой 7 октября 1977 г. Объективный характер требований, диктуемых настоящим и будущим, заставляет заблаговременно изыскивать новые энергоресурсы и разрабатывать не только более эффективные, но и достаточно «чистые» способы преобразования энергии большой и малой мощности. Эти вопросы очень сложны и должны рассматриваться комплексно. В области большой энергетики — это прежде всего управляемый термоядерный синтез, МГД генераторы, солнечная энергетика, гидроэнергетика и др. В области малой энергетики — замена нефти и ее производных другими топливами (например, водородом ), применение в транспортных системах электрических и тепловых аккумуляторов, рассмотрение возможностей использования других механических преобразователей энергии (например, двигателей с внешним подводом теплоты — паровых, двигателей Стерлинга и др.), дальнейшее развитие топливных элементов, совершенствование термоэлектрических, термоэмиссионных и иных способов преобразования энергии.
Вышеперечисленные перспективные направления развития малой энергетики имеют свои достоинства и недостатки. Так, использование водорода в качестве источника энергии связано с проблемой более дешевого способа его получения из воды (в настоящее время водород добывается из природного газа); разработка электрических аккумуляторов (свинцовых, никель-железных, никель-кадмиевых, цинк-воздушных, горячих натриево-серных и др.) — с проблемами создания достаточно емких, надежных, легких, дешевых и относительно быстро подзаряжающихся аккумуляторов. Кроме того, перевод большого парка автомобилей на электротягу связан с ограниченными запасами металлов (в частности, свинца) и дополнительной выработкой электроэнергии. Что касается топливных элементов, то они в настоящее время слишком дороги. Технические характеристики парового двигателя не уступают характеристикам обычного бензинового двигателя; кроме того, в нем может быть обеспечено более полное сгорание топлива. Однако для парового двигателя предстоит решить проблемы смазки цилиндров, работы двигателя при сильном морозе или сильной жаре. Вероятно, это будет так же трудно, как найти удовлетворительный источник энергии для электррмобиля.
В предлагаемой читателю книге проф. Грэхема Уокера «Машины, работающие по циклу Стерлинга» рассматриваются вопросы перспективного развития и применения машин Стерлинга. Эти машины отличаются универсальностью и конструктивным разнообразием и могут работать как двигатели, холодильные машины, тепловые насосы и генераторы давления во многих областях техники. Как двигатели они имеют ряд существенных преимуществ: высокая эффективность и экономичность, возможность работы от разнообразных низко- и высокопотенциальных источников энергии (углеводородные топлива — твердые, жидкие, газообразные; ядерная и солнечная энергия; теплота реакции окисления металлов, теплота геотермального пара и термальной воды и т. д.). В двигателях могут быть использованы различные рабочие тела (воздух, водород, гелий, С02, химически реагирующие газы и др.). Они могут работать по замкнутому и открытому термодинамическим циклам и отличаются малым уровнем шума, а при использовании углеводородных то-плив — низким содержанием токсичных составляющих выхлопных газов. Специфическим свойством двигателей Стирлинга является их способность к длительной автономной работе в энергосистемах при отсутствии атмосферного воздуха (в космических или подводных условиях).
Стремление реализовать потенциальные возможности этих двигателей вызвало проведение интенсивных научно-исследовательских, конструкторских и экспериментальных работ в ряде зарубежных фирм: Филипс, Дженерал Моторс, Юнайтед Стерлинг, Форд, Волво и др. В результате были созданы иисследованы двигатели широкого диапазона мощностей (от нескольких ватт до 3500 кВт) различного назначения (для применения в различных энергосистемах, для транспорта, для работы в космосе, в подводных условиях; для военных и бытовых целей и т. п.). Целевые испытания подтвердили положительные качества двигателей, их конкурентоспособность с традиционными двигателями и другими преобразователями энергии. Было отмечено, что применение двигателей Стирлинга целесообразно в тех случаях, когда существующие системы по отдельным показателям не вполне удовлетворяют предъявляемым требованиям (например, в шахтах, карьерах, в городском транспорте и т. п.) или вообще неприменимы.
Способность двигателей Стирлинга утилизировать отбросную теплоту промышленных предприятий и других объектов делает его применение чрезвычайно выгодным с точки зрения экономии природного топлива и расширения топливного баланса. Для СССР с его огромной территорией и различными климатическими и ресурсными зонами применение двигателей Стирлинга может позволить использовать (особенно в отдаленных районах) местные виды топлива без предварительной их переработки. К числу недостатков разработанных двигателей (в основном типа автомобильных) относятся их несколько большие массо-габаритные параметры и более высокая стоимость. С целью их устранения в настоящее время ведутся работы по решению широкого круга вопросов: от совершенствования теории и методики расчетов по оптимизации необходимых параметров до совершенствования технологии производства. Отдельные типы двигателей Стирлинга изготавливаются рядом зарубежных фирм. Несмотря на ряд существенных преимуществ двигателей Стирлинга, они пока еще не получили заметного массового распространения. Это обусловлено рядом обстоятельств как технико-экономического (проблемы конструкционных материалов, регенератора, снижение затрат на производстве и т. п.), так и коммерческого характера (существование традиционных двигателей, сохранение коммерческой тайны). Однако, независимо от этого, ожидается, что их массовое серийное производство (для транспортных систем) в некоторых странах начнется в 1981 г. и к 1985 г. составит 10% всего количества выпускаемых двигателей.
На основе конструкций двигателей Стирлинга были разработаны и эффективные холодильные и криогенные машины (ожижители и криорефрижераторы) различной холодопроизводительности с широким диапазоном рабочих температур. Они уже нашли широкое применение во многих областях науки, техники и на производстве в установках для ожижения и реконденсации различных газов, для очистки инертных газов от примесей, в лабораторных (ядерных и низкотемпературных) экспериментах, для хранения веществ и материалов при низких температурах. Разработанные конструкции ряда машин характеризуются надежностью, термодинамической эффективностью, относительно малыми массой и габаритами, удобством регулирования и возможностью автоматизации.
Книга Г. Уокера предназначена для широкого круга читателей и преследует цель познакомить читателя с вопросами работы и применения машин с циклом Стирлинга. Автор не дает полного описания тех или иных машин и процессов, происходящих в отдельных аппаратах, в сложной математической форме, а стремится изложить научные, технические, экономические и другие принципы,на которых базируются разработки машин Стерлинга, а также отметить те трудности, которые возникают при их создании. В связи . с этим может показаться, что изложению элементарных основ физики, термодинамики, теплопередачи, гидравлики или механики уделяется слишком много места, тогда как данные о конкретных особенностях самих машин приведены в весьма сжатой форме. Между тем следует иметь в виду, что принцип действия машин Стирлинга позволяет создавать множество их модификаций, базирующихся на общих фундаментальных законах с использованием достижений многих областей современной науки и техники. Классификация всего многообразия машин Стирлинга излагается автором в гл. 6. Такое изложение, позволяющее оценить (или найти пути к оценке) возможности и трудности, возникающие при преобразовании энергии с помощью машин Стирлинга, с учетом несколько популярного характера книги представляется на первом этапе знакомства с проблемой весьма целесообразным, а для расширения круга читателей — просто необходимым. В целом имеющийся в книге материал не ограничивается изложением только элементарных понятий, а является следствием длительных и глубоких исследований и содержит ценные справочные сведения, которые можно найти в обширном списке литературы, приведенном автором в конце книги. Она выгодно отличается от других подобных изданий своим наиболее полным представлением всего многообразия схем, возможностей и областей применения машин Стирлинга. Автор книги Г. Уокер — широко известный за рубежом специалист по машинам Стирлинга, профессор инженерно-механического факультета университета Калгари в Канаде, консультант ряда министерств и промышленных фирм Англии, США, Канады.
Предлагая вниманию читателей настоящую книгу, хочется надеяться, что вопросы, связанные с исследованием и применением машин Стирлинга, заинтересуют читателя.
Б. Сутугин
Автор: Дата: 19.08.08 в 20:35 Прочтений: 15811
