Идеализированный цикл и конструкция двигателя Стирлинга.

Двигатель Стирлинга использует в качестве рабочего тела обычный газ. На рис. 7.2

представлен его идеализированный цикл, а возможные конструкции на рис. 7.3. Особенностью двигателя Стирлинга является наличие двух полостей – горячей, к которой подводится теплота, и интенсивно охлаждаемой холодной. Эти полости соединены каналом, в котором установлен регенератор.

Рис. 7.2. Идеальный цикл Стирлинга Идеальный цикл Стирлинга состоит из четырех процессов:

· изохорный процесс сжатия c-z, - вытеснение рабочего тела из холодной полости в горячую через регенератор;

· изотермический процесс подвода теплоты z-e, - подвод теплоты к рабочему телу в горячей полости;

· изохорный процесс расширения e-a, вытеснение рабочего тела из горячей полости в холодную через регенератор;

· изотермический процесс отвода теплоты a-c, - отвод теплоты от рабочего тела в холодной полости.

Предположим, что рабочее тело – идеальный газ. Тогда работа цикла будет

Соответствено термический КПД цикла

Рис. 7.3. Типы двигателей Стирлинга: а -a; б -b; в -g;

1 – горячая полость; 2 – холодная полость; 3 – регенератор; 4 – поршень; 5 – вытеснитель;

6 – шестерня.

Так как изохоры идеального газа на s-T-диаграмме эквидистантны, то

Среднее термодинамическое давление цикла

где степень нагрева газа в цикле и степень сжатия

Конструктивно выделяют три основных типа двигателей Стирлинга (рис. 7.3).

· a -Стирлинг содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень – горячий, другой – холодный. Цилиндр с горячим поршнем

находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. Он обеспечивает наибольшую удельную мощность, но в силу высоких температур конструкции горячего поршня малоприменим.

· g-Стирлинг располагает поршнем и вытеснителем и двумя цилиндрами – однимхолодным (там движется поршень, с которого снимается мощность), а другим горячим с одного конца и холодным с другого (там движется вытеснитель).

Регенератор соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.g-Стирлинг имеет наименьшую удельную мощность из всех типов.

· b-Стирлинг наиболее распространенный тип двигателя. У двигателяb-типа

цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого.

Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Чаще всего двигатели данного типа используют ромбический привод, обеспечивающий связь поршня и вытеснителя с валом съема мощности.

Рабочим телом в двигателях может служить любой газ или газовая смесь. В описанных конструкциях использовались воздух, водород, гелий, криптон, двуокись углерода и двухфазные смеси.

Воздух является наиболее дешевым рабочим телом в земных условиях. Установки

с воздухом в качестве рабочего тела наиболее просты и дешевы. Гелий и водород обладают малой вязкостью и высокой теплопроводностью, мало зависящей от давления, позволяет получать минимальные гидравлические потери. Но они обладают высокими

удельными объемами и способностью проникать через уплотнения и конструкционные материалы, водород в земных условиях пожароопасен. Криптон и двуокись углерода использовались как химически инертные газы, не обладающие способностью проникать через уплотнения гелия. Использование двухфазных смесей позволяет получать большие

коэффициенты теплопередачи со стенками и уменьшить размеры теплообменных поверхностей или ускорить рабочие процессы.

При испытаниях силовой установки космического аппарата при различных рабочих

телах КПД составил: для воздуха – 29,4%, для гелия – 35,1%, для водорода – 40%.