Cтраница 1
Двигатели Флюидайн как мокрого, так и сухого типов были созданы в Центре по атомной энергии в Харуэлле ( Англия), и начиная с 1970 г. по этим двигателям была выполнена большая теоретическая и экспериментальная работа. К сожалению, подробная информация об этой работе еще не опубликована. Однако в других институтах также была выполнена работа по этим двигателям, достаточная для того, чтобы вынести определенные суждения о рабочих характеристиках двигателей Флюидайн. Эти исследования в целом хорошо документированы, имеют подробные описания экспериментов, однако полученные результаты не слишком детализированы. Кроме того, Флюидайн - настолько необычное устройство, что у исследователей появляется соблазн поиграть с ним - изменяя конструктивные параметры, наблюдать, что из этого получится. [1]
Двигатели Флюидайн просты и не требуют больших затрат на изготовление. Они представляются идеальными устройствами для проведения исследований в университетах. Тем не менее, хотя рабочий цикл Флюидайна интересен с академической точки зрения, такой подход не должен быть единственным в ущерб насущно необходимому эмпирическому исследованию, целью которого должно быть определение перспектив Флюидайна в том плане, сможет ли он стать коммерчески выгодным изделием или останется изящной игрушкой. [2]
Двигатели Флюидайн имеют весьма низкий уровень шума, однако свободнопоршневые двигатели могут быть чрезвычайно шумными при некоторых режимах работы. [3]
Основой двигателя Флюидайн являются две U-образные трубы ( которые могут быть изготовлены из стекла), связанные с тремя рабочими полостями, соединенными между собой. Чтобы понять принцип работы этого двигателя, допустим, что жидкость в нем невязкая. Допустим также, что U-образной трубы С - D не существует и что холодная полость герметизирована. Когда жидкость в U-образной трубе А - В ( трубе вытеснителя) перемещается по часовой стрелке, левый столб жидкости поднимается, горячий газ перемещается в холодную полость, и давление рабочего газа понижается. [5]
В двигателе Флюидайн, использующем способ перекачки энергии с помощью разности давлений, в отличие от схемы, рассмотренной выше, холодная полость выходной U-образной трубы совмещена с холодной полостью вытеснителя. Столбы жидкости, связанные с холодной и горячей полостями, различаются по длине и, следовательно, имеют разные частоты собственных колебаний. Рабочая частота всей системы заключена между частотами собственных колебаний горячего и холодного столбов жидкости. Возбуждающая сила, поддерживающая стабильные колебания, обусловлена разностью давлений на открытом торце выходной трубы и в рабочем газе. [6]
В двигателе Флюидайн с реактивной струей, так же как и в двигателе, использующем разность давлений, имеется объединенная холодная полость. Холодная и выходная трубы соединяются с горячей трубой у ее основания. Такое соединение обеспечивает эффект реактивной струи. [8]
Температура холодной стороны ( со стороны отвода тепла) двигателя Флюидайн обычно равна температуре окружающей среды, за исключением наиболее совершенных образцов. Однако имеет место общий эффект повышения КПД установки при снижении температуры со стороны отвода тепла. Возможно, этот путь не кажется особенно перспективным, но в действительности он дает хорошие результаты. Расчет идеального цикла показывает, что в цикле Отто и в цикле дизельного двигателя преобладают аналогичные зависимости. [9]
Несмотря на это, модификация с реактивной струей является наиболее распространенной среди двигателей Флюидайн. Рабочий цикл двигателя с реактивной струей будет рассмотрен ниже. [11]
В последних разделах этой главы двигатель Стирлинга сравнивается с другими существующими или имеющими шансы на практическое применение типами двигателей, а также проводится анализ особенностей двигателя Флюидайн. Дается обзор типичных характеристик, которые достижимы уже в настоящее время. Этот обзор может помочь тем, кто интересуется практическим использованием двигателей Стирлинга, оценить их потенциальные возможности в различных областях применения. [12]
На первый взгляд двигатели Стирлинга могут показаться не заслуживающими особого внимания, поскольку они в большой степени напоминают другие тепловые двигатели возвратно-поступательного действия, хотя модификации Била и в особенности двигатели Флюидайн сильно отличаются от привычных конструкций. Едва ли поверхностный взгляд на двигатели имеет существенные преимущества перед разбором принципиальных схем. Поэтому для данного раздела были отобраны такие примеры двигателей Стирлинга из числа реально существующих образцов, в которых можно было бы наглядно выделить важнейшие элементы конструкции и там, где это возможно, показать общность элементов, имеющих различные конструктивные воплощения. Эти примеры даются как в виде фотографий, так и в форме принципиальных конструктивных схем. [13]
В этой главе собраны все имеющиеся экспериментальные данные по этим двигателям. Для обобщения характеристик двигателей Флюидайн этих данных явно недостаточно. Когда станут доступными публикации центра в Харуэлле и будет опубликована книга Уокера и Уэста [33], мы будем располагать значительно большим объемом информации для изучения. [14]
Со времени изобретения двигателя Стирлинга в 1815 - 1816 гг. построено множество двигателей различных конфигураций и еще большее число конфигураций было предложено. На протяжении многих лет все эти существующие и гипотетические двигатели имели кривошипный привод в том или ином виде, однако в период, примерно соответствующий последним десяти годам, с изобретением свободнопоршневых двигателей типа двигателя Била и харуэллской машины, а также двигателя Флюидайн к существующему списку конфигураций двигателя Стирлинга ( и так достаточно обширному) добавились новые формы. И до настоящего времени продолжают изобретать новые формы этого двигателя. Такое разнообразие форм двигателя Стирлинга существует скорее всего потому, что до сих пор не найдены оптимальная конфигурация двигателя или оптимальный режим работы, которые удовлетворяли бы всему разнообразию условий работы, и такой двигатель вряд ли возможен. Эта ситуация не является специфичной именно для двигателя Стирлинга. Она имеет место и в отношении к другим тепловым двигателям, однако двигатель Стирлинга отличается, пожалуй, наибольшим разнообразием форм. [15]
Страницы: 1 2
www.ngpedia.ru
Двигатели стирлинга
Двигатели «Флюидайн» как «мокрого», так и «сухого» типов были созданы в Центре по атомной энергии в Харуэлле (Англия), и начиная с 1970 г. по этим двигателям была выполнена большая теоретическая и экспериментальная работа. К сожалению, подробная информация об этой работе еще не опубликована. Однако в других институтах также была выполнена работа по этим двигателям, достаточная для того, чтобы вынести определенные суждения о рабочих характеристиках двигателей «Флюидайн». Большинство опубликованных работ относится к двигателю «Флюидайн», используемому в качестве насоса (рис. 1.40 и 1.41). Эти исследования в целом хорошо документированы, имеют подробные описания экспериментов, однако полученные результаты не слишком детализированы. Это не удивительно, поскольку имеются определенные трудности в получении фундаментальных результатов из-за отсутствия оборудования и приборов, которые можно было бы приобрести для таких исследований [64, 65]. Кроме того, «Флюидайн» — настолько необычное устройство, что у исследователей появляется соблазн «поиграть» с ним — изменяя конструктивные параметры, наблюдать, что из этого получится.
В этой главе собраны все имеющиеся экспериментальные данные по этим двигателям. Для обобщения характеристик двигателей «Флюидайн» этих данных явно недостаточно. Когда станут доступными публикации центра в Харуэлле и будет опубликована книга Уокера и Уэста [33], мы будем располагать значительно большим объемом информации для изучения. Однако одно обобщение можно сделать уже сейчас, и оно касается двух режимов работы двигателей «Флюидайн». В «мокром» режиме в горячем цилиндре происходит значительное парообразование. Это увеличивает изменения давления в цикле, так что при нормальных рабочих температурах амплитуда колебаний давления в цикле в 5—7 раз выше, чем в случае однофазного газа. Соответственно возрастает развиваемая мощность, и, следовательно, мощность на единицу массы выше, чем в «сухом» режиме. Однако при наличии парообразования необходимо увеличивать подвод тепла в систему, чтобы сбалансировать скрытую теплоту парообразования. В результате общий КПД получается весьма низким — обычно менее 1 %• Если воспрепятствовать парообразованию, то, несмотря на падение удельной мощности и уменьшение количества подводимой энергии, можно достигнуть увеличения КПД до 10 %. В то время как «мокрый» «Флюидайн» может работать при весьма низких температурах в горячей полости (80—100°С), работа в «сухом» режиме протекает при значительно более высоких температурах (в среднем при 400 °С). При выборе между «мокрым» и «сухим» режимами работы необходимо тщательно взвесить все «за» и «против».
«Флюидайн» с подкачкой энергии, осуществляемой реактивной струей, из-за простоты своей конструкции и очевидной нечувствительности к выбору размеров практически без исключений применяется в экспериментальных исследованиях и для работы в качестве насоса. Опубликованные результаты исследований приведены в табл. 1.18. Устройства, на которых были получены эти результаты, имели различные размеры, и отобранные результаты следует рассматривать только как экспериментальные данные.
| Таблица 1.18. Характеристики двигателя «Флюидайн» (типичные значения параметров)
|
Ряд исследований «мокрого «Флюидайна» с реактивной струей был выполнен в отделении исследований двигателя Стирлинга Королевского морского инженерного колледжа (Англия). В табл. 1.19 приведены типичные результаты. Полностью эти результаты опубликованы Хенсманом [13] и Льюисом [21].
| Таблица 1.19. Характеристики двигателя «Флюидайн», полученные В Королевском морском инженерном колледже (Англия)
|
В серии экспериментов Хенсмана подводимая энергия варьировалась от испытания к испытанию с целью определить, имеет ли «Флюидайн» наиболее благоприятные режимы работы с точки зрения подводимой энергии и параметра Tss, обеспечивающего самозапуск двигателя (см. равенство (1.1)). При подготовке эксперимента были приняты меры для уменьшения утечки тепла из горячей полости в окружающее пространство, и это способствовало снижению величины Tss ниже значения 0,1, которое ранее считалось критическим. В этих и других испытаниях было установлено, что «Флюидайн» может работать при разности температур между двумя полостями ТНс= 17 °С, которая является весьма низкой величиной. Все упомянутые параметры приведены в табл. 1.19.
Эти параметры типичны для «Флюидайна» и содержат ряд интересных особенностей, например такую, что увеличение разности температур горячей и холодной полостей необязательно влечет за собой увеличение теплового потока и КПД. Эта особенность, вероятно, отличает «мокрый» «Флюидайн» не только от других двигателей Стирлинга, но и вообще от других устройств, вырабатывающих механическую энергию. В основе этого необычного свойства лежит, по-видимому, тот факт, что в этом двигателе рабочее тело двухфазное и двухкомпонентное [21, 65], поэтому для «мокрого» «Флюидайна» наиболее благоприятными являются рабочие режимы, в которых последовательно преобладают рабочие циклы либо с сухим воздухом, либо с влажным паром.
Циклические изменения давления и фазового угла «мокрого» «Флюидайна» также отличаются от соответствующих характеристик обычного двигателя Стирлинга, в то время как «сухой» «Флюидайн», как утверждают, имеет рабочие характеристики, аналогичные рабочим характеристикам обычного двигателя Стирлинга с жестким кривошипно-шатунным механизмом. Перемещения мениска жидкости, эквивалентные движению твердого поршня, не точно следуют синусоидальному закону. Между
|
Рис. 1.120. Профили перемещения менисков жидкости в трубах «мокрого» «Флюиданна» [21]. 1—«горячая» труба; 2 — «холодная» труба; 3 — выходная труба. |
Перемещениями трех менисков в выходной, горячей и холодной трубах не поддерживается постоянный сдвиг по фазам в течение рабочего цикла. Эта особенность показана на рис. 1.120.
Циклические перемещения наблюдались с помощью фототехники, однако в работе [64] описывается аппаратура, позволяющая упростить измерения этих перемещений. Типичные изменения давления цикла в горячей и холодной полостях показаны на рис. 1.121, а изменения температуры цикла — на рис. 1.122.
Что касается последнего параметра, то, хотя наличие изменений очевидно, они весьма малы по своей величине, и для расчетов процесс можно считать в среднем изотермическим. Этот вопрос, однако, требует дальнейшего исследования. В работе [71] высказывается предположение, что холодную полость можно считать изотермической, а горячую — адиабатной. Полученных результатов недостаточно, чтобы принять или отвергнуть это предположение. Двигатели «Флюидайн», испытанные в отделении исследований двигателей Стирлинга Королевского морского инженерного колледжа, имели рабочие частоты в диапазоне 0,7—2,0 Гц, и, судя по опубликованным данным, этот диапазон типичен для всех двигателей «Флюидайн», построенных к настоящему времени.
Необходимо сделать еще одно замечание относительно опубликованных описаний экспериментов. Это замечание касается устойчивости колебаний системы. «Флюидайн» обладает способностью к «самовозбуждению» (иными словами, способностью к «самозапуску») и, будучи пущенным в ход, начинает работать с установившимися колебаниями. Эта способность дает возможность ввести более точную классификацию двигателей «Флюидайн» [21, 65]. Такая классификация состоит из двух частей. Первая дает определение «Флюидайна» как автономной системы, что является прямым следствием неявного вида производной по времени в гидродинамических уравнениях, описывающих систему. В таких системах частота колебаний является функцией их амплитуды, и это подтвердилось в экспериментах с «Флюидайном». Вторая связана с тем, что из-за демпфирования в системе «Флюидайна» описывающие ее уравнения неконсервативны. В общем случае в такой системе колебания должны были бы экспоненциально затухать со временем, чего, однако, не происходит во «Флюидайне», в котором колебания носят устойчивый характер. Это дает основание утверждать, что система работает в режиме «ограниченного цикла» [21]. Наиболее важным следствием этого утверждения является то, что система, работающая в ограниченном цикле, может самовозбуждаться. В случае «Флюидайна» это проявляется в способности системы «самозапускаться». Самовозбуждение возможно в двух формах — «жесткой» и «мягкой», причем существование той или иной формы определяется конкретным параметром системы. В колебательной электрической цепи таким параметром может быть общая индуктивность, в то время как в случае «Флюидайна» им, очевидно, является температурный параметр самозапуска Tss. Когда достигнуто критическое значение ключевого
|
Бремя Рис. 1.121. Изменения давления цикла в «мокром» «Флюидайне». 1 — полость расширения; 2 — полость сжатия. |
|
|
|
|
100
1 96
Ч
0 4 8
6 Бремя, с
Рис. 1.122. Изменения температуры цикла в «мокром» «Флюидайне».
А—холодная полость; б—горячая полость.
Параметра и возникают самовозбуждающиеся колебания, то возбуждение определяется как «мягкое», если амплитуда колебаний нарастает медленно; когда же самовозбуждение возникает быстро и амплитуда также быстро достигает своего предельного значения, то преобладает «жесткое» самовозбуждение. Экспериментальные наблюдения свидетельствуют, что «Флюидайн» является «жесткой» системой.
Это обсуждение вопросов устойчивости работы «Флюидайна» может показаться несколько академическим, однако анализ и математическое моделирование «Флюидайна» с помощью обычных термодинамических и гидродинамических методов весьма затруднительны и требуют значительного машинного времени для решения уравнений. В то же время моделирование методами устойчивости, которые хорошо разработаны в рамках теории регулирования, позволяет упростить решение проблемы и получить более точное описание процессов, протекающих во «Флюи - дайне», и более достоверные результаты. Это даст возможность не только применить более научный подход к конструированию двигателя, но и сопоставить и объяснить результаты экспериментов.
Двигатели «Флюидайн» просты и не требуют больших затрат на изготовление. Они представляются идеальными устройствами для проведения исследований в университетах. Тем не менее, хотя рабочий цикл «Флюидайна» интересен с академической точки зрения, такой подход не должен быть единственным в ущерб насущно необходимому эмпирическому исследованию, целью которого должно быть определение перспектив «Флюидайна» в том плане, сможет ли он стать коммерчески выгодным изделием или останется изящной игрушкой.
msd.com.ua
Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга. Известно устройство жидкопоршневого теплового двигателя "Флюидайн", относящегося к классу двигателей Стирлинга, имеющего в качестве рабочих поршней столбы жидкости (Г.Ридер, Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М., "Мир", 1986, стр. 43). Известно устройство двигателя "Флюилайн", включающее в себя горячую и холодную полости, холодную, горячую и выходную трубы, и использующее принцип реактивной струи в качестве способа стабильной непрерывной работы двигателя (Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. М., "Мир", 1986, стр. 45 - 47). Однако представленное техническое решение не определяет принцип и конструкцию для преобразования колебательных движений рабочих сред двигателя в полезную механическую или электрическую энергию. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в преобразовании энергии колебаний рабочих сред двигателя в полезную механическую или электрическую энергию. Для достижения этого технического результата энергосиловая установка с жидкопоршневых двигателем "Флюидайн", состоящая из связанных между собой холодной, горячей и выходной труб, частично заполненных жидкостью, снабжена рабочей камерой, соединенной в нижней части с холодной трубой двигателя U-образной трубкой, заполненной, как и нижняя часть камеры, жидкостью, причем конец трубки в холодной трубе двигателя выше уровня столба жидкости в данной трубе, а выходная труба двигателя выполнена на конус, верхняя часть которого входит в камеру над турбиной, которая расположена в верхней части камеры на валу, связанном с потребителем механической энергии или электрогенератором. Введение в состав энергосиловой установки с жидкопоршневым двигателем "Флюидайн" камеры, соединенной в нижней части с холодной трубой двигателя U-образной трубкой и расположенной в ней на валу турбины, а также выполненной на конус выходной трубы, верхняя часть которого соединена с верхней частью камеры, позволяет получить новое свойство, заключающееся в преобразовании колебательных движений столба жидкости в выходной трубе двигателя во вращательное движение турбины, с вала которой может быть получена полезная или электрическая энергия. На чертеже изображена энергосиловая установка с жидкопоршневым двигателем "Флюидайн". Энергосиловая установка включает в себя двигатель "Флюидайн" (далее по тексту просто двигатель) 1, состоящий из соединенных в нижней части холодной трубы 2, горячей трубы 3, выходной трубы 4. Холодная труба 2 и горячая труба 3 соединены в верхней части каналом 5, который образует с трубами 2 и 3 холодную полость 6 и горячую полость 7, внутри которых находится рабочее тело (газ) двигателя 1. Трубы 2, 3, 4 частично заполнены жидкостью. Выходная труба 4 выполнена в виде конуса, верхний конец 8 которого имеет малый диаметр, загнут на 180 градусов и соединен с рабочей камерой 9. Камера 9 имеет в верхней части отверстие 10 для выравнивания давления с окружающей средой, а в нижней части с помощью U-образной трубки 11 соединена с холодной трубой 2 двигателя 1, при этом конец трубки 11 расположен выше уровня жидкости в трубе 2 и находится в холодной полости 6. U-образная трубка 11 полностью заполнена жидкостью, соответственно, заполнена жидкостью и нижняя часть камеры 9. В камере 9 на валу 12 установлена турбина 13, таким образом, что на ее лопатки 14 падает жидкость, попадающая в камеру 9 из загнутого на 180 градусов конца 8 выходной трубы 4. Энергосиловая установка с жидкопоршневым двигателем "Флюидайн" работает следующим образом. Стабильная непрерывная работа двигателя 1 при подведении внешней теплоты к полости 7 обеспечивается с помощью принципа реактивной струи. В результате работы двигателя 1 происходит циклическое изменение объема и давления рабочего тела (газа) в полостях 6, 7 и канале 5, приводящие к вынужденным колебаниям столбов жидкости в холодной трубе 2, горячей трубе 3, выходной трубе 4. Поскольку выходная труба 4 выполнена в виде конуса, то увеличение столба жидкости в выходной трубе 4 будет более значительнее, чем если бы труба 4 была цилиндрической формы, а струя жидкости в верхней части трубы 4 имеет более высокое давление. В результате часть жидкости при фазе работы двигателя 1, когда в выходной трубе жидкость движется вверх, при высоком давлении проходит через загнутый на 180 градусов конец 8 и падает на лопатки 14 турбины 13, приводя ее во вращение. Вращение турбины 13 передается на вал 12, к которому подсоединены потребители механической энергии или энергогенератор (не показаны). Для выравнивания и поддержания постоянного давления в камере 9, в ее верхней части имеется отверстие 10, соединяющее камеру 9 с окружающей средой. С лопаток 14 жидкость собирается в нижней части камеры 9 и по U-образной трубке 11 подается в холодную трубу 2, тем самым поддерживая постоянное количество жидкости в двигателе 1 и высоту колебания в выходной трубе 4. При фазе работы двигателя, когда уровень жидкости в выходной трубе опускается, воздух из окружающей среды засасывается в камеру 9 и верхнюю часть трубы 4 через отверстие 10, а турбина продолжает вращаться по инерции. Затем цикл повторяется,Источники информации:1. Г.Ридер, Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М., "Мир", 1986, стр. 43. 2. Г.Ридер, Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М., "Мир", 1986, стр. 45 - 47 - прототип.
Энергосиловая установка с жидкопоршневым двигателем "Флюидайн", включающая в себя двигатель "Флюидайн", состоящий из связанных между собой холодной, горячей и выходной труб, частично заполненных жидкостью, отличающаяся тем, что снабжена рабочей камерой, соединенной в нижней части с холодной трубой двигателя U-образной трубкой, заполненной, как и нижняя часть камеры, жидкостью, причем конец трубки в холодной трубе двигателя расположен выше уровня столба жидкости в данной трубе, а выходная труба двигателя выполнена на конус, верхняя часть которого входит в камеру над турбиной, расположенной в верхней части камеры на валу, который связан с потребителем механической энергии или электрогенератором.
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 18.08.2000
Номер и год публикации бюллетеня: 15-2002
Извещение опубликовано: 27.05.2002
bankpatentov.ru
Cтраница 1
Флюидайн может работать как в мокром, так и в сухом режиме. В первом случае существует контакт между вытесняемой жидкостью и рабочим телом. Во втором поверхности жидкости и рабочего газа разделены либо слоем инертного газа, либо механическим поплавком. Энергия в Флюидайне вырабатывается в виде колебаний жидкости в выходной трубе, и это особенно удобно для использования двигателя в качестве нагнетательного устройства. История техники знает очень похожее устройство - насос Хэмфри с незамкнутым рабочим циклом. [2]
Флюидайн обладает способностью к самовозбуждению ( иными словами, способностью к самозапуску) и, будучи пущенным в ход, начинает работать с установившимися колебаниями. Такая классификация состоит из двух частей. Первая дает определение Флюидайна как автономной системы, что является прямым следствием неявного вида производной по времени в гидродинамических уравнениях, описывающих систему. В таких системах частота колебаний является функцией их амплитуды, и это подтвердилось в экспериментах с Флюидайном. Вторая связана с тем, что из-за демпфирования в системе Флюидайна описывающие ее уравнения неконсервативны. В общем случае в такой системе колебания должны были бы экспоненциально затухать со временем, чего, однако, не происходит во Флюидайне, в котором колебания носят устойчивый характер. Наиболее важным следствием этого утверждения является то, что система, работающая в ограниченном цикле, может самовозбуждаться. В случае Флюидайна это проявляется в способности системы самозапускаться. Самовозбуждение возможно в двух формах - жесткой и мягкой, причем существование той или иной формы определяется конкретным параметром системы. [4]
Флюидайн, двигатель Била и харуэллская машина также являются двигателями простого действия. Первый из них, особенно в мокрой модификации ( рис. 1.57) выглядит точно так же, как и на схеме рис. 1.38, в. Свободнопоршневые двигатели ( двигатель Била и харуэллская машина) в соответствии с требованиями техники безопасности помещаются в герметичные сосуды со сжатым газом. [6]
Флюидайн с подкачкой энергии, осуществляемой реактивной струей, из-за простоты своей конструкции и очевидной нечувствительности к выбору размеров практически без исключений применяется в экспериментальных исследованиях и для работы в качестве насоса. Опубликованные результаты исследований приведены в табл. 1.18. Устройства, на которых были получены эти результаты, имели различные размеры, и отобранные результаты следует рассматривать только как экспериментальные данные. [8]
За исключением мокрого Флюидайна, в двигателях Стирлинга используются однокомпонентные рабочие тела, если воздух считать чистым газом. Эти рабочие тела не только однокомпонентны, но и однофазны. Нет никаких причин, препятствующих использованию многокомпонентных многофазных рабочих тел, тем более что такие тела могут дать некоторые термодинамические преимущества, поскольку могут воспринимать более высокие степени сжатия. Тем не менее в настоящее время используются исключительно газообразные рабочие тела, причем практически без исключений только воздух ( азот), гелий и водород. Как уже было показано выше, влияние рассмотренных нами параметров не зависит от того, какой из трех газов использовался в качестве рабочего тела. Однако, хотя тенденции и совпадают, конкретные цифры различны. Большая часть имеющейся литературы, если обратиться к публикациям достаточно общего характера, создает впечатление, что водород является наиболее подходящим рабочим телом, и в процессе первоначального изучения нами основных принципов и конструктивных особенностей двигателей Стирлинга это впечатление усилилось. Однако если водород обладает столь очевидными преимуществами, то почему все еще используют и остальные два газа, особенно гелий, хотя он и более дорогой. Мы уже рассмотрели некоторые проблемы, связанные с использованием водорода, например необходимость компенсировать просачивание водорода через материалы, с которыми он контактирует, и повышение хрупкости этих материалов, но если водород имеет такие неоспоримые преимущества, то с этими проблемами надо смириться. В первых аналитических работах ( например, [44]) высказываются предположения, что водород является лучшим рабочим телом с точки зрения обеспечения высоких рабочих характеристик только в некоторых режимах работы, в других режимах наиболее подходящими могут оказаться другие два обычно используемых газа. [9]
Отсутствием регенератора в мокром Флюидайне, вероятно, можно объяснить, почему такие двигатели имеют очень низкий КПД. Однако следует принять во внимание и то, что мокрый Флюидайн может работать только при температурах порядка 350 К ( 77 С) и разности температур при подводе и отводе тепла не более 25 С. [11]
Экспериментальные наблюдения свидетельствуют, что Флюидайн является жесткой системой. [13]
Циклические изменения давления и фазового угла мокрого Флюидайна также отличаются от соответствующих характеристик обычного двигателя Стирлинга, в то время как сухой Флюидайн, как утверждают, имеет рабочие характеристики, аналогичные рабочим характеристикам обычного двигателя Стирлинга с жестким кривошипно-шатунным механизмом. Перемещения мениска жидкости, эквивалентные движению твердого поршня, не точно следуют синусоидальному закону. [15]
Страницы: 1 2
www.ngpedia.ru
Двигатели «Флюидайн» как «мокрого», так и «сухого» типов были созданы в Центре по атомной энергии в Харуэлле (Англия), и начиная с 1970 г. по этим двигателям была выполнена большая теоретическая и экспериментальная работа. К сожалению, подробная информация об этой работе еще не опубликована. Однако в других институтах также была выполнена работа по этим двигателям, достаточная для того, чтобы вынести определенные суждения о рабочих характеристиках двигателей «Флюидайн». Большинство опубликованных работ относится к двигателю «Флюидайн», используемому в качестве насоса (рис. 1.40 и 1.41). Эти исследования в целом хорошо документированы, имеют подробные описания экспериментов, однако полученные результаты не слишком детализированы. Это не удивительно, поскольку имеются определенные трудности в получении фундаментальных результатов из-за отсутствия оборудования и приборов, которые можно было бы приобрести для таких исследований [64, 65]. Кроме того, «Флюидайн» — настолько необычное устройство, что у исследователей появляется соблазн «поиграть» с ним — изменяя конструктивные параметры, наблюдать, что из этого получится.
В этой главе собраны все имеющиеся экспериментальные данные по этим двигателям. Для обобщения характеристик двигателей «Флюидайн» этих данных явно недостаточно. Когда станут доступными публикации центра в Харуэлле и будет опубликована книга Уокера и Уэста [33], мы будем располагать значительно большим объемом информации для изучения. Однако одно обобщение можно сделать уже сейчас, и оно касается двух режимов работы двигателей «Флюидайн». В «мокром» режиме в горячем цилиндре происходит значительное парообразование. Это увеличивает изменения давления в цикле, так что при нормальных рабочих температурах амплитуда колебаний давления в цикле в 5—7 раз выше, чем в случае однофазного газа. Соответственно возрастает развиваемая мощность, и, следовательно, мощность на единицу массы выше, чем в «сухом» режиме. Однако при наличии парообразования необходимо увеличивать подвод тепла в систему, чтобы сбалансировать скрытую теплоту парообразования. В результате общий КПД получается весьма низким — обычно менее 1 %• Если воспрепятствовать парообразованию, то, несмотря на падение удельной мощности и уменьшение количества подводимой энергии, можно достигнуть увеличения КПД до 10 %. В то время как «мокрый» «Флюидайн» может работать при весьма низких температурах в горячей полости (80—100°С), работа в «сухом» режиме протекает при значительно более высоких температурах (в среднем при 400 °С). При выборе между «мокрым» и «сухим» режимами работы необходимо тщательно взвесить все «за» и «против».
«Флюидайн» с подкачкой энергии, осуществляемой реактивной струей, из-за простоты своей конструкции и очевидной нечувствительности к выбору размеров практически без исключений применяется в экспериментальных исследованиях и для работы в качестве насоса. Опубликованные результаты исследований приведены в табл. 1.18. Устройства, на которых были получены эти результаты, имели различные размеры, и отобранные результаты следует рассматривать только как экспериментальные данные.
| Таблица 1.18. Характеристики двигателя «Флюидайн» (типичные значения параметров)
|
Ряд исследований «мокрого «Флюидайна» с реактивной струей был выполнен в отделении исследований двигателя Стирлинга Королевского морского инженерного колледжа (Англия). В табл. 1.19 приведены типичные результаты. Полностью эти результаты опубликованы Хенсманом [13] и Льюисом [21].
| Таблица 1.19. Характеристики двигателя «Флюидайн», полученные В Королевском морском инженерном колледже (Англия)
|
В серии экспериментов Хенсмана подводимая энергия варьировалась от испытания к испытанию с целью определить, имеет ли «Флюидайн» наиболее благоприятные режимы работы с точки зрения подводимой энергии и параметра Tss, обеспечивающего самозапуск двигателя (см. равенство (1.1)). При подготовке эксперимента были приняты меры для уменьшения утечки тепла из горячей полости в окружающее пространство, и это способствовало снижению величины Tss ниже значения 0,1, которое ранее считалось критическим. В этих и других испытаниях было установлено, что «Флюидайн» может работать при разности температур между двумя полостями ТНс= 17 °С, которая является весьма низкой величиной. Все упомянутые параметры приведены в табл. 1.19.
Эти параметры типичны для «Флюидайна» и содержат ряд интересных особенностей, например такую, что увеличение разности температур горячей и холодной полостей необязательно влечет за собой увеличение теплового потока и КПД. Эта особенность, вероятно, отличает «мокрый» «Флюидайн» не только от других двигателей Стирлинга, но и вообще от других устройств, вырабатывающих механическую энергию. В основе этого необычного свойства лежит, по-видимому, тот факт, что в этом двигателе рабочее тело двухфазное и двухкомпонентное [21, 65], поэтому для «мокрого» «Флюидайна» наиболее благоприятными являются рабочие режимы, в которых последовательно преобладают рабочие циклы либо с сухим воздухом, либо с влажным паром.
Циклические изменения давления и фазового угла «мокрого» «Флюидайна» также отличаются от соответствующих характеристик обычного двигателя Стирлинга, в то время как «сухой» «Флюидайн», как утверждают, имеет рабочие характеристики, аналогичные рабочим характеристикам обычного двигателя Стирлинга с жестким кривошипно-шатунным механизмом. Перемещения мениска жидкости, эквивалентные движению твердого поршня, не точно следуют синусоидальному закону. Между
|
Рис. 1.120. Профили перемещения менисков жидкости в трубах «мокрого» «Флюиданна» [21]. 1—«горячая» труба; 2 — «холодная» труба; 3 — выходная труба. |
Перемещениями трех менисков в выходной, горячей и холодной трубах не поддерживается постоянный сдвиг по фазам в течение рабочего цикла. Эта особенность показана на рис. 1.120.
Циклические перемещения наблюдались с помощью фототехники, однако в работе [64] описывается аппаратура, позволяющая упростить измерения этих перемещений. Типичные изменения давления цикла в горячей и холодной полостях показаны на рис. 1.121, а изменения температуры цикла — на рис. 1.122.
Что касается последнего параметра, то, хотя наличие изменений очевидно, они весьма малы по своей величине, и для расчетов процесс можно считать в среднем изотермическим. Этот вопрос, однако, требует дальнейшего исследования. В работе [71] высказывается предположение, что холодную полость можно считать изотермической, а горячую — адиабатной. Полученных результатов недостаточно, чтобы принять или отвергнуть это предположение. Двигатели «Флюидайн», испытанные в отделении исследований двигателей Стирлинга Королевского морского инженерного колледжа, имели рабочие частоты в диапазоне 0,7—2,0 Гц, и, судя по опубликованным данным, этот диапазон типичен для всех двигателей «Флюидайн», построенных к настоящему времени.
Необходимо сделать еще одно замечание относительно опубликованных описаний экспериментов. Это замечание касается устойчивости колебаний системы. «Флюидайн» обладает способностью к «самовозбуждению» (иными словами, способностью к «самозапуску») и, будучи пущенным в ход, начинает работать с установившимися колебаниями. Эта способность дает возможность ввести более точную классификацию двигателей «Флюидайн» [21, 65]. Такая классификация состоит из двух частей. Первая дает определение «Флюидайна» как автономной системы, что является прямым следствием неявного вида производной по времени в гидродинамических уравнениях, описывающих систему. В таких системах частота колебаний является функцией их амплитуды, и это подтвердилось в экспериментах с «Флюидайном». Вторая связана с тем, что из-за демпфирования в системе «Флюидайна» описывающие ее уравнения неконсервативны. В общем случае в такой системе колебания должны были бы экспоненциально затухать со временем, чего, однако, не происходит во «Флюидайне», в котором колебания носят устойчивый характер. Это дает основание утверждать, что система работает в режиме «ограниченного цикла» [21]. Наиболее важным следствием этого утверждения является то, что система, работающая в ограниченном цикле, может самовозбуждаться. В случае «Флюидайна» это проявляется в способности системы «самозапускаться». Самовозбуждение возможно в двух формах — «жесткой» и «мягкой», причем существование той или иной формы определяется конкретным параметром системы. В колебательной электрической цепи таким параметром может быть общая индуктивность, в то время как в случае «Флюидайна» им, очевидно, является температурный параметр самозапуска Tss. Когда достигнуто критическое значение ключевого
|
Бремя Рис. 1.121. Изменения давления цикла в «мокром» «Флюидайне». 1 — полость расширения; 2 — полость сжатия. |
|
|
|
|
100
1 96
Ч
0 4 8
6 Бремя, с
Рис. 1.122. Изменения температуры цикла в «мокром» «Флюидайне».
А—холодная полость; б—горячая полость.
Параметра и возникают самовозбуждающиеся колебания, то возбуждение определяется как «мягкое», если амплитуда колебаний нарастает медленно; когда же самовозбуждение возникает быстро и амплитуда также быстро достигает своего предельного значения, то преобладает «жесткое» самовозбуждение. Экспериментальные наблюдения свидетельствуют, что «Флюидайн» является «жесткой» системой.
Это обсуждение вопросов устойчивости работы «Флюидайна» может показаться несколько академическим, однако анализ и математическое моделирование «Флюидайна» с помощью обычных термодинамических и гидродинамических методов весьма затруднительны и требуют значительного машинного времени для решения уравнений. В то же время моделирование методами устойчивости, которые хорошо разработаны в рамках теории регулирования, позволяет упростить решение проблемы и получить более точное описание процессов, протекающих во «Флюи — дайне», и более достоверные результаты. Это даст возможность не только применить более научный подход к конструированию двигателя, но и сопоставить и объяснить результаты экспериментов.
Двигатели «Флюидайн» просты и не требуют больших затрат на изготовление. Они представляются идеальными устройствами для проведения исследований в университетах. Тем не менее, хотя рабочий цикл «Флюидайна» интересен с академической точки зрения, такой подход не должен быть единственным в ущерб насущно необходимому эмпирическому исследованию, целью которого должно быть определение перспектив «Флюидайна» в том плане, сможет ли он стать коммерчески выгодным изделием или останется изящной игрушкой.
ctirling.ru
Cтраница 1
Флюидайны могут быть изготовлены из стекла, термопластов или даже из подходящих сортов твердой древесины. При - более высоких рабочих температурах в Флюидайнах сухого типа требуются металлические материалы. В свобрднопоршне-вых машинах применяются те же материалы, что и приведенные в табл. 4.4. В некоторых случаях для двигателей Стир-линга всех типов можно применять не столь экзотические и дорогие материалы, но при условии, что на них нанесено соответствующее покрытие, например из хрома. [1]
Двигатели Флюидайн как мокрого, так и сухого типов были созданы в Центре по атомной энергии в Харуэлле ( Англия), и начиная с 1970 г. по этим двигателям была выполнена большая теоретическая и экспериментальная работа. К сожалению, подробная информация об этой работе еще не опубликована. Однако в других институтах также была выполнена работа по этим двигателям, достаточная для того, чтобы вынести определенные суждения о рабочих характеристиках двигателей Флюидайн. Эти исследования в целом хорошо документированы, имеют подробные описания экспериментов, однако полученные результаты не слишком детализированы. Кроме того, Флюидайн - настолько необычное устройство, что у исследователей появляется соблазн поиграть с ним - изменяя конструктивные параметры, наблюдать, что из этого получится. [2]
Двигатели Флюидайн просты и не требуют больших затрат на изготовление. Они представляются идеальными устройствами для проведения исследований в университетах. Тем не менее, хотя рабочий цикл Флюидайна интересен с академической точки зрения, такой подход не должен быть единственным в ущерб насущно необходимому эмпирическому исследованию, целью которого должно быть определение перспектив Флюидайна в том плане, сможет ли он стать коммерчески выгодным изделием или останется изящной игрушкой. [3]
Двигатели Флюидайн имеют весьма низкий уровень шума, однако свободнопоршневые двигатели могут быть чрезвычайно шумными при некоторых режимах работы. [4]
Основой двигателя Флюидайн являются две U-образные трубы ( которые могут быть изготовлены из стекла), связанные с тремя рабочими полостями, соединенными между собой. Чтобы понять принцип работы этого двигателя, допустим, что жидкость в нем невязкая. Допустим также, что U-образной трубы С - D не существует и что холодная полость герметизирована. Когда жидкость в U-образной трубе А - В ( трубе вытеснителя) перемещается по часовой стрелке, левый столб жидкости поднимается, горячий газ перемещается в холодную полость, и давление рабочего газа понижается. [6]
В двигателе Флюидайн, использующем способ перекачки энергии с помощью разности давлений, в отличие от схемы, рассмотренной выше, холодная полость выходной U-образной трубы совмещена с холодной полостью вытеснителя. Столбы жидкости, связанные с холодной и горячей полостями, различаются по длине и, следовательно, имеют разные частоты собственных колебаний. Рабочая частота всей системы заключена между частотами собственных колебаний горячего и холодного столбов жидкости. Возбуждающая сила, поддерживающая стабильные колебания, обусловлена разностью давлений на открытом торце выходной трубы и в рабочем газе. [7]
В двигателе Флюидайн с реактивной струей, так же как и в двигателе, использующем разность давлений, имеется объединенная холодная полость. Холодная и выходная трубы соединяются с горячей трубой у ее основания. Такое соединение обеспечивает эффект реактивной струи. [9]
Эти параметры типичны для Флюидайна и содержат ряд интересных особенностей, например такую, что увеличение разности температур горячей и холодной полостей необязательно влечет за собой увеличение теплового потока и КПД. Эта особенность, вероятно, отличает мокрый Флюидайн не только от других двигателей Стирлинга, но и вообще от других устройств, вырабатывающих механическую энергию. В основе этого необычного свойства лежит, по-видимому, тот факт, что в этом двигателе рабочее тело двухфазное и двухкомпонентное [21, 65], поэтому для мокрого Флюидайна наиболее благоприятными являются рабочие режимы, в которых последовательно преобладают рабочие циклы либо с сухим воздухом, либо с влажным паром. [11]
Это обсуждение вопросов устойчивости работы Флюидайна может показаться несколько академическим, однако анализ и математическое моделирование Флюидайна с помощью обычных термодинамических и гидродинамических методов весьма затруднительны и требуют значительного машинного времени для решения уравнений. В то же время моделирование методами устойчивости, которые хорошо разработаны в рамках теории регулирования, позволяет упростить решение проблемы и получить более точное описание процессов, протекающих во Флюи-дайне, и более достоверные результаты. [12]
Их особенно легко изготовить в виде Флюидайна мокрого типа. В них имеются главы с весьма подробной информацией и рекомендациями по разработке и производству таких двигателей. [14]
Страницы: 1 2 3
www.ngpedia.ru
Изобретение относится к области теплоэнергетике и устройств, работающих по циклу Стирлинга. Достигаемый технический результат - повышение КПД всей установки в целом, упрощение конструктивного исполнения преобразования колебательных движений в выходных трубах двигателей "Флюидайн" в полезную электрическую или механическую работу. При работе двигателей 1 и 2 возникают вынужденные колебания столбов жидкости в выходных трубах 8 и 9. Возвратно-поступательное перемещение столбов жидкости в трубах 8 и 9 вызывает перемещение газа через камеру 7, приводящее во вращение турбину 10, с получением полезной механической или электрической энергии. Синхронность движения уровней столбов жидкости в выходных трубах 8 и 9 (их противофаза) определяется сдвигом по фазе между двигателями "Флюидайн" 1 и 2, регулируемым через дроссельный клапан 11. 1 ил.
Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга.
Известно устройство двигателя "Флюидайн", включающее горячую и холодную полости, выходную трубу, и использующее принцип реактивной струи в качестве способа стабильной непрерывной работы двигателя (Г.Ридер,, Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М., "Мир", 1986, стр. 44-45). Известно устройство насосной установки, включающее в себя два двигателя "Флюидайн", соединенных между собой через дросселирующий клапан, и рабочую камеру с поршнями, динамически связанными между собой посредством пружины (Патент РФ N 2078972, Бюл. N 13, 1997). Конструктивное исполнение данной установки таково, что она предназначена только для перекачивания жидкости и не позволяет получать электрическую и полезную механическую энергию. Известен жидкостной двигатель, включающий в себя два двигателя типа "Флюидайн", приводящих в возвратно-поступательное движение поршень в рабочей камере, причем оба двигателя работают со сдвигом по фазе на 180 градусов, за счет соединения холодных полостей двигателей через дроссельный клапан (Заявка Японии N 3-27748, кл. F 02 G 1/043, 1991). Недостатком данного устройства является то, что оно сложно в конструктивном исполнении и имеет потери энергии, связанные с трением рабочего поршня. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в возможности повышения коэффициента полезного действия всей установки в целом, упрощения конструктивного исполнения преобразования колебательных движений столбов жидкости в выходных трубах двигателей "Флюидайн" в полезную электрическую или механическую энергию. Для достижения этого технического результата автономная энергетическая установка, включающая в себя два двигателя "Флюидайн", с регулированием сдвига фаз работы двигателей, через дросселирующее устройство, снабжена газовой рабочей камерой, с расположенной в ней турбиной, при этом камера связана с выходными трубами двигателей, присоединенных к ней на разных уровнях. Введение в состав автономной энергетической установки газовой рабочей камеры с расположенной в ней турбиной, связанной с выходными трубами двигателей, присоединенных к ней на разных уровнях, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности преобразования колебательных движений в выходных трубах двигателей "Флюидайн" во вращательное движение турбины и получения на ее валу полезной механической или электрической энергии. На чертеже изображена автономная энергетическая установка с двигателями "Флюидайн". Автономная энергетическая установка состоит из двух двигателей типа "Флюидайн" 1, 2, имеющих, соответственно, горячие полости 3, 4 и холодные полости 5, 6, газовую рабочую камеру 7, связанную с двигателями 1, 2 через выходные трубы 8, 9, присоединенных к камере 7 на разных уровнях: труба 8 присоединяется сверху, труба 9 - снизу камеры 7. Внутри камеры 7 расположена турбина 10, на валу которой может располагаться электрогенератор (на чертеже не показан). Холодные полости 5 и 6, соединены между собой дросселирующим клапаном 11, предназначенным для согласования фазового сдвига работы двигателей 1, 2. Автономная энергетическая установка работает следующим образом. Стабильная непрерывная работа двигателей при подведении внешней теплоты к горячим полостям 3, 4 обеспечивается с помощью принципа реактивной струи. В результате работы двигателей 1, 2 происходит циклическое изменение объема и давления рабочего газа в полостях 3, 4, 5, 6, приводящие к вынужденным колебаниям столбов жидкости в выходных трубах 8, 9. Использование дросселирующего клапана 11, позволяет работать двигателям 1, 2 со сдвигом фаз на 180 градусов. Это приводит к тому, что увеличение столба жидкости в выходной трубе 8 двигателя 1 вызывает перемещение газа из трубы 8 в камеру 7 и далее в трубу 9, так как в это время в трубе 9 идет уменьшение уровня столба жидкости (работа в противофазе). Данное перемещение приводит к вращению турбины 10. На следующей фазе работы двигателей 1, 2 происходит обратное перемещение газа: уровень столба жидкости в трубе 8 уменьшается, при этом уровень столба жидкости в трубе 9 увеличивается и газ перемещается из трубы 9 через камеру 7 в трубу 8, поддерживая непрерывное вращение турбины 10. Синхронность движения уровней столбов жидкости в выходных трубах 8 и 9 (их противофаза) определяется сдвигом по фазе между двигателями "Флюидайн" 1, 2, регулируемым через дроссельный клапан 11. Источники информации: 1. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. - М.: Мир, 1986, с. 44 и 45. 2. Патент РФ N 2078972, бюл. N 13, 1997. 3. Заявка Японии N 3-27748, F 02 G 1/043, 1991.Формула изобретения
Автономная энергетическая установка с двигателями "Флюидайн", включающая в себя два двигателя "Флюидайн", соединенных между собой через дросселирующий клапан, отличающаяся тем, что снабжена газовой рабочей камерой с расположенной в ней турбиной, при этом камера связана с выходными трубами двигателей, присоединенных к ней на разных уровнях.РИСУНКИ
Рисунок 1Похожие патенты:
Изобретение относится к теплоэнергетике и устройствам, работающим по циклу Стирлинга
Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внешнего сгорания, паровым котлам и отопительным системам
Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет повысить эффективность двигателей Стирлинга
Изобретение относится к тепловым установкам такого типа, который охарактеризован в ограничительной части первого пункта формулы изобретения
Изобретение относится к отрасли энергомашиностроения и позволяет повысить эффективность двигателей внешнего нагрева (сгорания)
Изобретение относится к машиностроению
Изобретение относится к объемной роторной машине, предназначенной для работы по циклу Стирлинга, и может быть использовано при изготовлении холодильников, тепловых насосов и двигателей
Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в энергетике и на транспорте
Изобретение относится к машиностроению и предназначено для использования в энергетике и на транспорте
Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга
Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга
Изобретение относится к теплоэнергетике и устройствам, работающим по циклу Стирлинга
Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга
Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга
Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга
Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива в двигателях Стирлинга и позволяет повысить их эффективность за счет каталитического окисления топлива
Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, и позволяет повысить эффективность теплового двигателя
Изобретение относится к двигателестроению и позволяет повысить топливную экономичность двигателей и расширить область их использования
Изобретение относится к энергетике, конкретно к роторным машинам объемного сжатия и расширения: двигателям внешнего нагрева и внутреннего сгорания, компрессорам, а также к гидромашинам - насосам и гидромоторам
Изобретение относится к области теплоэнергетике и устройств, работающих по циклу Стирлинга
www.findpatent.ru
